【摘要】： 動靜干擾和尾跡是葉輪機械主要的非穩(wěn)定流場形式,采用尾緣吹氣能夠降低動靜干涉噪聲、降低下游葉片的疲勞損失和降低機組總的氣動噪聲等,研究和掌握其流動特性和流動控制方式,對提高機組的整體性能意義重大。 實驗測量和數值模擬是研究葉輪機械內部流場的兩種基本方法,隨著科學技術的發(fā)展,各類先進的測量技術的不斷發(fā)展,如熱線風速儀和粒子圖像測速儀,為實驗研究提供了新的測量方式;同時計算機性能的飛速提高和計算流體力學技術的日趨完善,基于求解三維粘性Navier-Stokes方程的數值模擬方法為葉輪機械內部流場的研究提供了強大的手段。本文正是通過實驗測量和數值模擬相結合的方法來研究尾緣吹氣對低速風機氣動噪聲的影響。 本文主要研究內容和研究成果如下: 1、根據研究的要求,設計加工了實驗用靜子模型,并設計了靜子尾緣吹氣的裝置,保證了靜子尾緣吹氣的連續(xù)性和均勻性,使靜子尾緣在不同吹氣條件下,能達到所需要的尾跡特征,即純尾跡、弱尾跡、無動量虧損尾跡、噴射四種尾跡特征。 2、根據國家通風機空氣動力學性能測試標準,搭建了性能測試試驗臺,得到了在靜子尾緣不同吹氣條件下模型風機系統的空氣動力學性能曲線,性能結果表明,靜子尾緣吹氣在吹氣流量為模型風機設計流量的1.8%時達到無動量虧損尾跡時,動葉的氣動性能變化不大,說明靜子尾緣吹氣對動葉的氣動性能基本沒有影響。 3、使用熱線風速儀和PIV測量了靜子尾跡區(qū)的詳細流動特征,得到了純尾跡、弱尾跡、無動量虧損尾跡、噴射四種尾跡的流動特征。通過軸向速度分布、湍流長度尺度分布、尾跡特征長度等重要的尾跡參數描述了靜子不同尾跡的流動特征。結果表明通過靜子尾緣吹氣,可以填平速度虧損區(qū),獲得無動量虧損尾跡。無動量虧損尾跡可以消除靜子尾緣的渦脫落頻率以及其諧波值,吹氣改變了靜子的渦脫落特性,吹氣后可以減小靜子的尾跡寬度。同時,使用了數值模擬對尾跡區(qū)的流動進行了進一步的研究,通過不同湍流模型計算結果的對比,發(fā)現SST湍流模型適合模擬尾跡區(qū)的流動。通過和實驗結果對比,CFD模擬結果和實驗結果吻合較好,并從數值計算中提取了速度、壓力和湍動能等參數繼續(xù)描述尾跡流動。 4、使用熱線風速儀和PIV測量了靜子尾跡與動葉相互干涉的流場,得到了靜子尾跡在下游動葉排中的傳播規(guī)律。熱線測量結果表明,靜子尾緣吹氣不但消除了靜子尾緣的脫落渦,而且還減弱了下游動葉的周期性影響。通過靜子與動葉的全流場數值模擬,詳細給出了靜子風機系統內的壓力分布、渦量和湍動能等參數,對比了純尾跡和無動量虧損尾跡狀態(tài)時不同的分布規(guī)律。數值計算和PIV測量結果都揭示了靜子尾跡在動葉流道內的傳播規(guī)律,通過靜子尾緣吹氣,使動葉的入口流場均勻,速度波動較小。 5、利用聲級計和頻譜分析儀測量了靜子尾跡與動葉相互干涉的總聲壓級、噪聲頻譜,得到了模型風機系統噪聲輻射的特性。對模型風機系統噪聲預測方法采用CFD+FW-H混合方法,使用尾緣渦脫落噪聲模型和Lowson關于離散頻率噪聲的點力模型預測了純尾跡和無動量虧損尾跡與動葉相互作用的寬頻噪聲和離散噪聲,實驗測量和噪聲預測結果均表明靜子尾緣吹氣能夠降低系統的噪聲,尤其離散頻率噪聲降低較為明顯,最大降低幅度為3.65dB,而對寬頻噪聲的影響較小。 6、提出和嘗試了尾緣脈動吹氣,使用數值模擬進行了初步的研究。并使用噪聲預測模型預測了脈動吹氣時脈動尾跡與動葉相互作用的噪聲。結果表明,脈動吹氣可以降低高階處離散頻率噪聲值,從而降低離散頻率噪聲。
【學位授予單位】：上海交通大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2009
【分類號】：TH43
【圖文】：

根據尾跡動量虧損厚度計算公式（1-1），將不同噴氣情況下尾跡區(qū)流動分為純尾跡（ θ / d> 0）、弱尾跡（ θ / d> 0）、無動量虧損尾跡（ θ / d≈ 0）和射流（ θ / d< 0）。在實際過程中，使用熱線測量尾跡區(qū)的平均速度分布，然后使用公式（1-1）進行判斷。葉片尾跡一般分為葉柵尾跡和轉子尾跡，分別表示靜止葉片和旋轉葉片的尾跡[26]。本文研究的尾跡屬于靜止葉片尾跡，圖 1.1 給出了靜子尾跡模型的示意圖。靜子尾跡分為三個區(qū)域：（1）初始段，這段區(qū)域緊靠靜子的尾緣，靜子尾緣的厚度影響占支配地位，該區(qū)域是靜子邊界層分離的區(qū)域，主流與尾緣區(qū)域的氣流相互作用，流動非常復雜，具有較嚴重的非定常性，且存在大尺度的湍流度。（2）摻混段，這段區(qū)域內，靜子尾緣的厚度影響逐漸減弱，從靜子尾緣脫落的旋渦隨流體對流，同時由于粘性和湍流作用而擴散，且對流的影響是主要的。從葉輪機的設計、損失估計以及噪聲產生等角度看，這個區(qū)域的研究是很重要的。在葉輪機械中，通過葉排之間的軸向距離為一個弦長左右，所以這個區(qū)域的尾跡是實際起作用的尾跡區(qū)。（3）發(fā)展段，此區(qū)域內，尾跡區(qū)的速度虧損逐漸恢復，靜子的厚度影響逐漸消失。

尾跡的流動特征示意圖，由于噴口與主流之間存在空隙，吹出的氣流與周圍主流流體間形成速度不連續(xù)的間斷面，由湍流力學知，速度間斷面是不穩(wěn)定的，必定產生波動，并發(fā)展成旋渦，在靠近尾緣處，在噴口的兩邊存在較小的旋渦。由于噴射氣流的速度大于主流的速度，這樣速度大的射流就將主流中速度小的流體卷吸到射流中，隨著流動的發(fā)展，被卷吸并與射流一起運動的流體不斷增多，射流邊界逐漸向兩側擴展，流量沿程增大。由于主流與射出氣流的摻混，相應產生了對射出氣流的阻力，使射出氣流的流速降低，難以保持原來的初始流速，吹出氣流的推力剛好抵消尾跡區(qū)氣流的阻力，達到無動量虧損尾跡。無動量虧損由其形成發(fā)展特征，也分成三個區(qū)域：（1）初始段，尾緣吹出的氣流與主流相互作用，致使兩股氣流中間的連線上存在速度為零的點，稱為自由滯點，從噴射口至自由滯點之間的這段區(qū)域成為無動量虧損尾跡的初始段，此段區(qū)域內流動復雜，存在較嚴重的速度不連續(xù)的間斷面。（2）摻混段，吹出的氣流和主流氣流在此區(qū)域內摻混，摻混段內基本形成無動量虧損尾跡，吹出氣流與主流氣流的摻混自邊緣逐漸向中心發(fā)展，直至發(fā)展到射流中心。（3）發(fā)展段，尾跡區(qū)的速度虧損完全被吹出的氣流填平，自吹出氣流與主流完全摻混后，尾跡區(qū)的全斷面上速度均勻，均呈湍流狀態(tài)，一起向下游發(fā)展。

圖 1.4 動靜干涉機理分析Fig. 1.4 Mechanism analysis of stator-rotor interaction尾跡控制或者尾緣吹氣，已經被證實是降低動靜干涉噪聲的有效方法。通過粘性邊界層影響而形成的尾跡，從而降低動靜之間的相互干涉�？梢酝ㄟ^邊方式降低邊界層厚度或者尾緣吹氣方式增加尾跡區(qū)的動量來實現。圖 1.5 給出氣示意圖，通過尾緣吹氣能使尾跡區(qū)速度和壓力提高。使作用在動葉上的非力減小，達到降低動靜干涉噪聲的目的。

【引證文獻】

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1 陳坤;三種

本文編號：2800369