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軸流石家莊風(fēng)機(jī)和導(dǎo)風(fēng)罩結(jié)構(gòu)的3D—RANS方程的CFD數(shù)值模擬在Fluent軟件平臺(tái)上完成。進(jìn)口區(qū)域和出口區(qū)域分別拓展三倍和九倍葉輪直徑。計(jì)算網(wǎng)格采用整體非結(jié)構(gòu)化四面體單元與葉片表面多層五面體棱柱單元的混和網(wǎng)格結(jié)構(gòu)形式。實(shí)踐表明，軸流石家莊風(fēng)機(jī)葉片表面采用棱柱網(wǎng)格結(jié)構(gòu)有利于更準(zhǔn)確的求解近葉片壁面邊界層流動(dòng)。上述三個(gè)葉輪的非結(jié)構(gòu)化四面體單元網(wǎng)格數(shù)目分別為819，123，739，193，和760，688；對(duì)應(yīng)的五面體棱柱單元數(shù)目為53，305。cFD計(jì)算包括三維黏性不可壓縮定常和非定常計(jì)算。定常計(jì)算中對(duì)流項(xiàng)采用二階中心差分格式，擴(kuò)散項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式，壓力一速度的耦合采用SIM—PLE方法。湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)尼一￡模型，近壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。非定常計(jì)算采用LES大渦模擬，其中小尺度渦的模擬采用基于Prandle混合長(zhǎng)度理論的亞格子Smagorinsky模型。非定常計(jì)算的壓力．度耦合采用PISO方法。計(jì)算采用多重旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，旋轉(zhuǎn)葉片與靜止導(dǎo)風(fēng)罩之間的動(dòng)靜交接面置于葉尖間隙的中間位置。對(duì)于定常計(jì)算，采用多參考坐標(biāo)系MRF模型處理動(dòng)靜交接面。對(duì)于非定常計(jì)算，風(fēng)機(jī)廠采用滑移網(wǎng)格技術(shù)求解動(dòng)靜干涉非定常效應(yīng)。cFD計(jì)算中上游遠(yuǎn)場(chǎng)進(jìn)口給定流量邊界條件，下游遠(yuǎn)場(chǎng)給定壓力邊界條件。定常CFD計(jì)算的收斂準(zhǔn)則為計(jì)算殘差小于10一。非定常計(jì)算在定常收斂結(jié)果上進(jìn)行，葉輪旋轉(zhuǎn)7圈后達(dá)到準(zhǔn)定常狀態(tài)。
為了考察cFD數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性，采用鎖相平均的PIV測(cè)試結(jié)果與cFD計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較。圖3為Fan—A石家莊風(fēng)機(jī)出口軸向速度沿葉高分布的PIV與cFD對(duì)比結(jié)果?？梢?jiàn)，本文的CFD計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)吻合較好。圖4為Fan—A和導(dǎo)風(fēng)罩結(jié)構(gòu)出口平面內(nèi)的湍動(dòng)能和渦量大小分布。圖4(a)為出口平面的湍動(dòng)能分布，可以清楚示出葉片葉尖渦與導(dǎo)風(fēng)罩干涉后，在葉頂區(qū)域產(chǎn)生較大的湍動(dòng)能。圖4(b)為出口平面的渦量分布，可見(jiàn)渦量主要集中于葉尖間隙
處和葉片的出口尾緣。
依據(jù)渦聲理論，對(duì)于低速等熵流動(dòng)，流體發(fā)聲的基本物理機(jī)制源于渦線在速度場(chǎng)中的被拉伸變形所 產(chǎn)生的聲，即氣動(dòng)噪聲來(lái)源于渦的拉伸和破裂。首先通過(guò)三種不同安裝角葉片葉尖渦與導(dǎo)風(fēng)罩的干涉定性分析流場(chǎng)與聲場(chǎng)間的關(guān)聯(lián)。圖5為表1所示的三種軸流石家莊風(fēng)機(jī)和導(dǎo)風(fēng)罩結(jié)構(gòu)的葉尖渦渦心軌跡分布。在采用相同形狀的導(dǎo)風(fēng)罩，而軸流石家莊風(fēng)機(jī)安裝角不同時(shí)，葉尖渦結(jié)構(gòu)及其與導(dǎo)風(fēng)罩的干涉情況明顯不同。對(duì)于Fan—A和Fan—B，葉尖渦在葉片前緣吸力面產(chǎn)生后，沿與葉輪旋轉(zhuǎn)方向相反的方向向遠(yuǎn)離吸力面的流道發(fā)展。進(jìn)入石家莊風(fēng)機(jī)葉頂與導(dǎo)風(fēng)罩間的間隙后，F(xiàn)an—A情況下葉尖渦與導(dǎo)風(fēng)罩間發(fā)生干涉，葉尖渦受導(dǎo)風(fēng)罩壁面的擠壓而拉伸、破裂，并同時(shí)隨主流向下游遷移。Fan—B情況下由于葉片安裝角較大，葉尖渦受壁面擠壓后迅速沿軸向隨主流流出，因此圖5(b)中未見(jiàn)明顯的渦心軌跡沿圓周方向的遷移。由渦聲理論我們知道，氣動(dòng)噪聲主要源于渦的拉伸和破裂，而表1所列出的總聲壓級(jí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證實(shí)Fan—A的噪聲幅值大于Fan—B。同時(shí)，對(duì)于Fan—c來(lái)說(shuō)，其安裝角最小，圖5(c)顯示葉尖渦破裂后的軌跡在葉尖間隙中移動(dòng)最遠(yuǎn)，這與Fan—c葉輪總聲壓級(jí)最大是對(duì)應(yīng)的。
在整場(chǎng)定常cFD計(jì)算后，依據(jù)式(1)計(jì)算渦聲源分布。圖6顯示主要?dú)鈩?dòng)噪聲源位于葉片尾緣和導(dǎo)風(fēng)罩內(nèi)壁面，且葉片尾緣渦聲源強(qiáng)度明顯大于導(dǎo)風(fēng)罩壁?？梢?jiàn)，進(jìn)口來(lái)流流場(chǎng)均勻時(shí)葉片湍流邊界層與尾跡干涉引發(fā)的尾緣渦脫落噪聲是低速軸流石家莊風(fēng)機(jī)與導(dǎo)風(fēng)罩的最主要?dú)鈩?dòng)噪聲源。當(dāng)軸流石家莊風(fēng)機(jī)和導(dǎo)風(fēng)罩置于實(shí)際空調(diào)器室外機(jī)內(nèi)部后，風(fēng)機(jī)廠室外機(jī)整機(jī)CFD計(jì)算完成后基于渦聲理論得到的內(nèi)部氣動(dòng)噪聲源強(qiáng)度分布，如圖7所示。與圖6不同的是，除了葉片尾
緣渦脫落和葉尖渦與導(dǎo)風(fēng)罩干涉之外，葉片前緣也存在較強(qiáng)的渦聲源。這主要源于室外機(jī)軸流石家莊風(fēng)機(jī)上游熱交換器出口湍流與葉片前緣干涉而引發(fā)的進(jìn)口湍流噪聲。