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本文采用 LES 與基于 Lighthill 聲類比的 FW-H模型相結(jié)合的方法對(duì)軸流石家莊市風(fēng)機(jī)廠進(jìn)行數(shù)值模擬。該方法考慮了運(yùn)動(dòng)物體邊界對(duì)聲源的影響及四極子源、偶極子源和單極子源疊加的相互作用，更具普遍適用性和可行性 [18] 。鑒于工程實(shí)際中，動(dòng)葉可調(diào)軸流石家莊市風(fēng)機(jī)廠單葉片安裝角正向偏離現(xiàn)象較為常見(jiàn)，為此，借助數(shù)值模擬研究單動(dòng)葉安裝角偏離程度(簡(jiǎn)稱偏離度)Δ β = 0°~50° 時(shí)聲功率級(jí)的變化，分析該軸流石家莊市風(fēng)機(jī)廠的氣動(dòng)噪聲分布特性，探討主要噪聲源的強(qiáng)度特征，獲得安裝角異常時(shí)石家莊市風(fēng)機(jī)廠氣動(dòng)噪聲的時(shí)域和頻域分布規(guī)律。1 數(shù)值計(jì)算方法石家莊市風(fēng)機(jī)廠模型為帶有后導(dǎo)葉的 OB-84 型單級(jí)動(dòng)葉可調(diào)軸流石家莊市風(fēng)機(jī)廠，動(dòng)葉數(shù) 14 個(gè)，葉頂間隙為 4.5 mm，轉(zhuǎn)速 1 200 r/min，石家莊市風(fēng)機(jī)廠結(jié)構(gòu)和參數(shù)詳見(jiàn)文獻(xiàn)[19]。該石家莊風(fēng)機(jī)銷售數(shù)據(jù)齊全， 具備葉片安裝角為 29°、 32°、 35°時(shí)的特性曲線，為數(shù)值計(jì)算的可靠性驗(yàn)證提供了依據(jù)。本文以動(dòng)葉安裝角 32° 為基準(zhǔn)，采用 Fluent 進(jìn)行數(shù)值模擬，區(qū)域包括集流區(qū)、動(dòng)葉區(qū)、導(dǎo)葉區(qū)和擴(kuò)壓區(qū)。經(jīng)對(duì)網(wǎng)格數(shù)約為 193 萬(wàn)、242 萬(wàn)和 305 萬(wàn)等情形下的石家莊市風(fēng)機(jī)廠性能曲線和內(nèi)流特征比較表明，當(dāng)總計(jì)算單元數(shù)約為 242 萬(wàn)， 動(dòng)、 靜葉區(qū)分別約為 104萬(wàn)、49 萬(wàn)時(shí)，可同時(shí)滿足計(jì)算精度和計(jì)算時(shí)間的要求(模擬范圍內(nèi)全壓的平均誤差為 1.2%)。
文中定常計(jì)算采用帶旋轉(zhuǎn)修正的 k- ε 模型 [20-21] ，并利用寬頻噪聲源模型獲得石家莊市風(fēng)機(jī)廠氣動(dòng)噪聲聲功率分布。石家莊風(fēng)機(jī)銷售這是因?yàn)閷掝l噪聲源模型主要包括 Proudman噪聲源模型和邊界層噪聲源模型。其中，Proudman噪聲源模型采用統(tǒng)計(jì)方法推導(dǎo)出適用于每個(gè)體單元的聲功率表達(dá)式，其針對(duì)由湍流邊界層、尾跡區(qū)的湍流脈動(dòng)、分離流動(dòng)等流體內(nèi)部的壓力脈動(dòng)所產(chǎn)生的四極子聲源。而邊界層噪聲源模型對(duì)剛性表面上壓力脈動(dòng)產(chǎn)生的輻射聲壓進(jìn)行積分，石家莊風(fēng)機(jī)銷售進(jìn)而計(jì)算出低雷諾數(shù)情況下表面偶極子聲源輻射出的噪聲聲功率，其針對(duì)由葉片及機(jī)殼固壁表面的壓力脈動(dòng)所產(chǎn)生偶極子聲源。本文主要研究單級(jí)動(dòng)葉可調(diào)軸流石家莊市風(fēng)機(jī)廠單動(dòng)葉安裝角異常時(shí)的氣動(dòng)噪聲特性，該石家莊市風(fēng)機(jī)廠內(nèi)的主要?dú)鈩?dòng)噪聲正是因動(dòng)葉區(qū)流動(dòng)分離、葉片及機(jī)殼固壁表面的壓力脈動(dòng)所引起。另外，寬頻聲源模型在預(yù)測(cè)旋轉(zhuǎn)機(jī)械主要?dú)鈩?dòng)噪聲源分布以及分析其噪聲特性等方面已得到廣泛應(yīng)用，并證實(shí)了其有效性 [21-22] 。
因此，在定常計(jì)算中，待流場(chǎng)穩(wěn)定后引入寬頻噪聲源模型以獲得葉片表面的氣動(dòng)噪聲聲功率分布。由此得到的流場(chǎng)做為 LES 的初場(chǎng)， 然后在三維非定常流動(dòng)條件下采用 FW-H 模型，并選用二階隱式時(shí)間推進(jìn)法進(jìn)行石家莊市風(fēng)機(jī)廠氣動(dòng)噪聲模擬。選擇動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)域?yàn)槁曉疵?，噪聲監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別在集流區(qū)、動(dòng)葉區(qū)、導(dǎo)葉區(qū)和擴(kuò)壓區(qū)沿徑向、軸向隨機(jī)選取。經(jīng)驗(yàn)證，相同區(qū)域內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)測(cè)得聲壓和聲壓級(jí)特性類似，故每個(gè)區(qū)域只取一個(gè)具代表性的監(jiān)測(cè)點(diǎn)用于表征不同區(qū)域的氣動(dòng)噪聲特性(如圖 1 所示)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)取在流道內(nèi)，這樣既能準(zhǔn)確獲得對(duì)應(yīng)部位的聲學(xué)參數(shù)，又可避免石家莊市風(fēng)機(jī)廠外殼(相對(duì)于監(jiān)測(cè)點(diǎn)取在殼外)對(duì)氣動(dòng)噪聲預(yù)測(cè)的影響，同時(shí)因獲得的是近聲源數(shù)據(jù)，石家莊風(fēng)機(jī)銷售可為設(shè)計(jì)低噪聲軸流石家莊市風(fēng)機(jī)廠提供參考數(shù)據(jù)。
2 計(jì)算結(jié)果分析
2.1 噪聲預(yù)估文中采用 Δ β 表示動(dòng)葉安裝角偏離狀態(tài)，Δ β =0° 表示葉片安裝角處于正常狀態(tài)(即動(dòng)葉安裝角為32°)，不同偏離度代表該葉片沿翼型軸線逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)偏離相應(yīng)度數(shù)，如圖 2 所示。假設(shè)單葉片安裝角偏離當(dāng)前狀態(tài)為 Δ β = 10°、20°、30°、40° 和 50° 的異常工況，圖 3 為定常計(jì)算所得不同流量下的最大聲功率級(jí) L wmax 隨 Δ β 的變化，其中流量系數(shù) ? = 4q V /πu t D 2 ，它用來(lái)表征對(duì)應(yīng)石家莊市風(fēng)機(jī)廠結(jié)構(gòu)及其運(yùn)行狀態(tài)下石家莊市風(fēng)機(jī)廠輸送流體的能力。式中：q V 為體積流量；u t 為葉片外徑處圓周速度；D為葉片外徑。圖 3 表明，流量一定時(shí)，L wmax 隨 Δ β 增大而升高，且 Δ β = 0 ° ~20 ° 時(shí) L wmax 的增幅最為明顯，在Δ β > 20 ° 之后其變化趨于平緩，且 Δ β = 40 ° 和 50 °時(shí)的 L wmax 大體相同，并保持在較高水平上。另外，隨 Δ β 增大， 不同流量下對(duì)應(yīng)的 L wmax 間的差距逐漸減小，此時(shí) L wmax 受流量的影響程度逐漸減弱。為進(jìn)一步研究異常葉片偏離度對(duì)動(dòng)葉區(qū)噪聲分布的影響， 圖 4 給出了設(shè)計(jì)流量系數(shù) ? = 0.223 下動(dòng)葉區(qū)中間截面處的聲功率級(jí)分布。正常工況下，各流道內(nèi)的聲功率級(jí)呈周期性的相同分布。異常葉片的存在導(dǎo)致邊界層脫落的渦流與流道內(nèi)的主流相互作用增強(qiáng)，致使在異常葉片周向相鄰流道的葉高中上部形成高噪聲區(qū)。Δ β = 10 ° 時(shí)的影響僅限制在異常葉片附近的單個(gè)流道，20 ° 以后其影響范圍沿徑向擴(kuò)寬，并在相鄰多個(gè)流道形成明顯的高噪聲帶，加劇石家莊風(fēng)機(jī)噪聲的提高，而低噪?yún)^(qū)的范圍逐漸減小或消失，因此石家莊風(fēng)機(jī)噪聲總體呈增大趨勢(shì)。該結(jié)論與文獻(xiàn) [13] 所述吻合。