.www.xunyis.com摘要: 對(duì)采用串列葉片的某前向離心風(fēng)機(jī)內(nèi)部三維非定常流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算, 重點(diǎn)研究了串列葉片不同葉片相對(duì)長(zhǎng)度和不同葉片相對(duì)周向位置兩個(gè)參數(shù)對(duì)風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能及氣動(dòng)噪聲的影響。通過響應(yīng)面方法對(duì)數(shù)值結(jié)果進(jìn)行二次回歸擬合, 得到兩個(gè)參數(shù)與風(fēng)機(jī)效率和 A 聲級(jí)間的函數(shù)關(guān)系,并進(jìn)行了優(yōu)化分析。數(shù)值結(jié)果表明: 兩個(gè)參數(shù)對(duì)串列葉片式前向離心風(fēng)機(jī)效率和 A 聲級(jí)均有較大影響, 合理的串列葉片設(shè)計(jì)能夠在保持氣動(dòng)性能基本不變的情況下降低風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)噪聲。將可靠的 CFD 數(shù)值技術(shù)與響應(yīng)面方法結(jié)合起來用于指導(dǎo)離心風(fēng)機(jī)的改進(jìn)及試驗(yàn)設(shè)計(jì)是可行的, 本文的研究結(jié)果可為串列式離心風(fēng)機(jī)在節(jié)能與降噪的總體設(shè)計(jì)方面提供參考。
關(guān)鍵詞: 串列葉片; 氣動(dòng)性能; 氣動(dòng)噪聲; 前向離心風(fēng)機(jī); 響應(yīng)面方法

1  引  言
前向離心風(fēng)機(jī)葉輪通道中的流動(dòng)擴(kuò)壓度較大,容易產(chǎn)生氣流分離, 特別是葉輪后部的吸力面附近分離現(xiàn)象嚴(yán)重, 導(dǎo)致葉輪出口周向氣流的分布很不均勻。由于葉輪轉(zhuǎn)速較高, 不均勻的葉輪出口氣流會(huì)與周圍非軸對(duì)稱分布的靜止部件產(chǎn)生強(qiáng)烈的非定常干涉, 這是產(chǎn)生離心風(fēng)機(jī)氣動(dòng)噪聲, 特別是離散噪聲的主要原因之一, 并對(duì)風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)性能帶來不利影響。國(guó)內(nèi)外對(duì)離心風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能和氣動(dòng)噪聲的研究大都著眼于改變蝸舌的傾角、 蝸殼形狀、 葉片形狀及數(shù)量等方面。近年來國(guó)內(nèi)外的一些研究表明, 合理的布置串列葉片能使離心葉輪出口流動(dòng)參數(shù)沿周向分布比采用單列葉片更加均勻, 對(duì)降低葉輪與靜止部件間的非定常沖擊損失及氣動(dòng)噪聲有利。
到目前為止, 串列葉片對(duì)離心風(fēng)機(jī)整機(jī)的氣動(dòng)性能和氣動(dòng)噪聲二者影響的研究還比較匱乏。另外, 氣動(dòng)性能和氣動(dòng)噪聲還常常存在著相互制約的關(guān)系,一方的提升有時(shí)會(huì)帶來另一方的下降, 能夠同時(shí)改善離心風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能和氣動(dòng)噪聲的方法是當(dāng)前研究所追求的主要目標(biāo)。因此, 本文在綜合考慮氣動(dòng)性能和氣動(dòng)噪聲的前提下, 采用串列葉片結(jié)構(gòu)對(duì)某單列葉片式前向離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行了改進(jìn)研究。本文采用數(shù)值方法對(duì)串列葉片的相對(duì)長(zhǎng)度和相對(duì)周向位置兩個(gè)參數(shù)對(duì)該前向離心風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能和氣動(dòng)噪聲的影響同時(shí)進(jìn)行了研究。使用 FLUENT軟件計(jì)算風(fēng)機(jī)內(nèi)部的非定常流動(dòng)來獲取流場(chǎng)和聲源信息, 分別利用效率公式和 FW -H 方程求得風(fēng)機(jī)的效率和離散噪聲, 并采用響應(yīng)面方法 ( ResponseSurface Methodology, RSM) 擬合得到兩個(gè)參數(shù)與石家莊風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能和氣動(dòng)噪聲的函數(shù)關(guān)系式, 通過優(yōu)化分析, 尋找兩個(gè)參數(shù)的最佳組合點(diǎn), 在保持風(fēng)機(jī)原有良好氣動(dòng)性能的情況下, 使氣動(dòng)噪聲降低, 為串列葉片式離心風(fēng)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

2  前向離心風(fēng)機(jī)的幾何參數(shù)
被改進(jìn)的原單列葉片式前向離心風(fēng)機(jī)( 后文中簡(jiǎn)稱原風(fēng)機(jī)) 葉輪進(jìn)口直徑 D 1 = 156mm, 葉片出口直徑 D 2 = 400mm, 無(wú)葉旋轉(zhuǎn)擴(kuò)壓器出口直徑 D 3 =460mm, 葉片數(shù)Z = 12, 葉片進(jìn)口安裝角 B 1A = 38b,出口安裝角 B 2A = 126 b, 葉輪進(jìn)口寬度 b 1 = 70mm,葉輪出口寬度 b 2 = 36mm, 蝸殼寬度 B = 64mm, 設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速 n = 2900rpm。
圖 1 給出改進(jìn)后的串列葉片式離心風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。 串列葉片結(jié)構(gòu)及相關(guān)參數(shù)如圖 2 所示。 圖 2中, 若把后排短葉片去掉, 將前排長(zhǎng)葉片加上圖中虛線部分, 就得到原風(fēng)機(jī)的葉型。 后排短葉片的葉型與改進(jìn)前葉片后部的葉型完全相同。 符號(hào) a 表示后排葉片的弦長(zhǎng), b 表示改進(jìn)前原單列葉片的弦長(zhǎng), l s 表示前后排葉片重疊形成的縫道長(zhǎng)度, H為后排葉片相對(duì)前排葉片沿葉輪旋轉(zhuǎn)方向轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。 定義葉片相對(duì)長(zhǎng)度因子? l = a/ b; 葉片相對(duì)周向位置因子 ? H= H / $ H , $ H= 30 b為葉輪單個(gè)葉道所占的周向角度。文獻(xiàn)[ 3 -4] 指出短葉片在靠近長(zhǎng)葉片壓力面一側(cè),對(duì)改善離心風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能和氣動(dòng)噪聲更有利。 本文在保持 l s / b = 1/ 20 不變, 分別選取相對(duì)長(zhǎng)度因子? l 為 2/ 20、 3/ 20、 4/ 20、 5/ 20, 相對(duì)周向位置因子 ? H為1/ 15、 2/ 15、 3/ 15、 4/ 15, 并根據(jù)樣本點(diǎn)的設(shè)計(jì)方案,計(jì)算在不同組合下的風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能和氣動(dòng)噪聲。

3  數(shù)值計(jì)算方法
3 11  三維非定常流場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算方法
采用 FLUENT 軟件計(jì)算風(fēng)機(jī)內(nèi)部的非定常流動(dòng)來獲取流場(chǎng)和聲源信息。 風(fēng)機(jī)計(jì)算區(qū)域主要分為三個(gè)部分: 進(jìn)氣段、 葉輪( 包括旋轉(zhuǎn)擴(kuò)壓器) 和蝸殼。為了提高收斂速度, 忽略了進(jìn)風(fēng)口和旋轉(zhuǎn)葉輪套接部分的內(nèi)泄漏流動(dòng)。 為適應(yīng)風(fēng)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,采用多塊網(wǎng)格生成方法生成高質(zhì)量網(wǎng)格。 考慮到不同流動(dòng)區(qū)域的不同重要性, 對(duì)葉輪內(nèi)部、 蝸舌壁面附近的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了加密控制和非等距處理。 為方便, 取葉輪旋轉(zhuǎn)軸中心線為 Z 坐標(biāo)軸, 進(jìn)口氣流沿 Z軸正向流向 Z 軸負(fù)向, 輪盤內(nèi)壁面為坐標(biāo) Z = 0 平面。 各部位的具體網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)分別為: 進(jìn)氣部分約 6萬(wàn)個(gè), 葉輪部分約 61 萬(wàn)個(gè), 蝸殼部分約 23 萬(wàn)個(gè)。 整機(jī)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)總數(shù)約 90 萬(wàn)個(gè)。 風(fēng)機(jī)的計(jì)算網(wǎng)格模型如圖 3、 圖 4 所示。
非定常計(jì)算的控制方程采用三維雷諾守恒型N-S 方程, 湍流模型采用 RealizableJ -E模型, 取標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。 由于風(fēng)機(jī)內(nèi)部流動(dòng)馬赫數(shù)很低, 認(rèn)為氣體不可壓縮且粘性系數(shù)為常數(shù)。 離散方程采用隱式分離方求解, 壓力修正采用 SIMPLE 算法。 對(duì)流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式離散, 擴(kuò)散項(xiàng)采用二階中心格式離散, 時(shí)間項(xiàng)離散采用二階隱式格式。
由于葉片在葉輪內(nèi)沿圓周均布且認(rèn)為轉(zhuǎn)速恒定, 所以葉輪流道和蝸殼之間的耦合呈周期性關(guān)系,在計(jì)算中時(shí)間步長(zhǎng)確定為式中: K 為一個(gè)非定常計(jì)算周期的時(shí)間步數(shù), K =30; n為葉輪轉(zhuǎn)速, n=2900rpm; Z 為葉片排數(shù), Z =12。 通過上式計(jì)算得到時(shí)間步長(zhǎng)為計(jì)算給定進(jìn)口速度邊界條件, 依據(jù)流量計(jì)算管道進(jìn)口速度, 且假設(shè)進(jìn)口速度均勻分布; 給定蝸殼出口壓力邊界為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓; 壁面采用無(wú)滑移條件; 計(jì)算中取進(jìn)口體積流量 q v = 27 17m 3 # min - 1 。3 1 2  氣動(dòng)性能和氣動(dòng)噪聲的計(jì)算方法效率是衡量風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能的主要參數(shù)之一, 風(fēng)機(jī)效率的計(jì)算可確定為其中: P 1 和 P 2 為風(fēng)機(jī)進(jìn)口和出口的總壓; M 表示葉輪施加給流體的作用力 Z 轉(zhuǎn)軸的力矩; X表示葉輪旋轉(zhuǎn)的角速度。 計(jì)算中上述各參數(shù)均采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)單位。 由于在不同時(shí)刻(葉片和蝸舌處在不同相對(duì)位置), 計(jì)算所得的效率不同, 為了便于比較, 下文中所給出的效率為 360 個(gè)非定常時(shí)間步(葉輪旋轉(zhuǎn)一周) 的時(shí)均值。
聲壓級(jí)是衡量風(fēng)機(jī)噪聲大小的常用物理量之一, 本文運(yùn)用三維非定常流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算的結(jié)果, 采用FW -H 方程對(duì)風(fēng)機(jī)的離散噪聲進(jìn)行計(jì)算 [ 5] , 其表達(dá)式為(利用自由空間格林函數(shù)求解 FW -H 方程, 其完備解是由面積分和體積分組成的。 面積分部分表示的是單極子和偶極子聲源, 以及部分四極子聲源的作用, 而體積分部分表示的是在聲源面以外的四極子聲源。 對(duì)于所研究的前向離心風(fēng)機(jī), 其內(nèi)部流動(dòng)屬于低亞音速不可壓縮流動(dòng), 當(dāng)聲源區(qū)包含在聲源面內(nèi)時(shí), 單極子和四極子聲源對(duì)聲場(chǎng)的貢獻(xiàn)可以忽略,因此有這里: c 0 為聲速; x i 為觀察點(diǎn)坐標(biāo); y i 為聲源坐標(biāo); R為聲源到觀察點(diǎn)的距離; t 為接受時(shí)間; M R 為聲源在聲傳播方向的運(yùn)動(dòng)馬赫數(shù); 方括號(hào)表示積分時(shí)方括號(hào)內(nèi)的量是相應(yīng)延遲時(shí)間 S時(shí)的值, S= t- R/ c 0 。 因篇幅所限, 式(3) 和式(4) 中其它各符號(hào)的意義詳見文獻(xiàn)[ 6, 8] 。
由于蝸舌部位的偶極子聲源是產(chǎn)生該風(fēng)機(jī)噪聲的主要聲源, 因此僅以蝸殼部分作為聲源區(qū)域采用 FW -H 方程進(jìn)行聲壓的計(jì)算。 對(duì)聲壓進(jìn)行快速傅立葉變換, 并經(jīng)過A 計(jì)權(quán)獲得風(fēng)機(jī)出口1m 處的A聲級(jí)(L a )。