軸流風(fēng)機內(nèi)三維流場及進出口氣動噪聲的數(shù)值模擬

王妮妮，王琳，安春國，汪坤，李志遠，李俊，高明*

（1.山東電力工程咨詢院有限公司，濟南 250013；2.山東大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，濟南 250061；3.安徽微威減震降噪技術(shù)研究院，安徽 桐城 231460）

引言

動葉可調(diào)軸流風(fēng)機通過改變動葉安裝角可實現(xiàn)工況調(diào)節(jié)，適應(yīng)性強且高效節(jié)能，已逐步成為大型火電廠送風(fēng)機和引風(fēng)機的主流選擇[1]。但其進出口的氣動噪聲嚴(yán)重影響了風(fēng)機正常運行，惡化了人們的工作和生活環(huán)境，因此，研究動葉可調(diào)軸流風(fēng)機的流場特性和噪聲規(guī)律具有重要的現(xiàn)實意義。

目前，主要通過數(shù)值模擬和實驗等方法進行動葉可調(diào)軸流風(fēng)機的流場和聲場特性規(guī)律研究。李春曦[2]在LES大渦模擬的基礎(chǔ)上，結(jié)合以Lightlill聲類比為基礎(chǔ)的FW-H模型，模擬得到了安裝角異常時風(fēng)機聲源強度分布和不同區(qū)域的氣動噪聲時頻特性，發(fā)現(xiàn)安裝角異常葉片增強了動葉區(qū)寬頻噪聲特性，分散了其他區(qū)域在低頻段的離散峰值。Liu[3]等研究軸流風(fēng)機前置導(dǎo)流葉片的出口角對整體氣動性能的影響，發(fā)現(xiàn)在額定工況下，隨著出口角度的增加，風(fēng)機的靜壓和效率先增加后降低，在模擬的出口角度范圍內(nèi)，60°為最佳性能角度。

本文通過Fluent對動葉可調(diào)軸流風(fēng)機的流動和噪聲進行數(shù)值模擬，引入波動方差的比率[7]總結(jié)壁面壓力脈動隨安裝角的變化規(guī)律[8]，為改進和開發(fā)高性能且低氣動噪聲的動葉可調(diào)軸流風(fēng)機提供理論基礎(chǔ)。

1 數(shù)值模擬基礎(chǔ)

1.1 數(shù)值模擬模型

1.1.1 FW-H方程

FW-H方程可以準(zhǔn)確描述流體與運動物體相互作用而產(chǎn)生的聲音問題[6、7]，其本質(zhì)是把N-S方程整理成非齊次波動方程式：

式中：a0為聲音在空氣中的傳播速度（m/s）；為聲壓（Pa）；為控制面法向速度分量（m/s）；為流

1.1.2 Standard模型輸運方程

Standard模型作為穩(wěn)態(tài)模擬的湍流模型，其具有穩(wěn)定性、經(jīng)濟性和較高的精度等優(yōu)點[8]。其輸運方程如下：

1.2 數(shù)值模型驗證

表1給出五個風(fēng)機額定工況點的出廠設(shè)計安裝角、流量和出口全壓數(shù)據(jù)。

表1 額定工況點出場設(shè)計值

對比五種工況出口全壓的模擬值與設(shè)計值驗證模型準(zhǔn)確性，結(jié)果見圖1。

由圖1可看出，出口全壓的模擬值總是大于設(shè)計值，原因有：1）網(wǎng)格數(shù)量影響，在網(wǎng)格數(shù)量足夠大的情況下，模擬值會逼近設(shè)計值；2）Fluent模擬時進行了部分簡化假設(shè)，不能完全吻合實際情況。但模擬結(jié)果的趨勢與設(shè)計值一致，而且最大相對誤差約為3.7%，在允許范圍內(nèi)[8]，因此可以保證該模型的準(zhǔn)確性。

圖1 全壓值對比結(jié)果圖

1.3 模型網(wǎng)格劃分與驗證

動葉可調(diào)軸流風(fēng)機的物理模型和網(wǎng)絡(luò)劃分結(jié)果分別如圖2、圖3所示。網(wǎng)格無關(guān)性驗證，如表2所示。

圖2 風(fēng)機計算模型圖

圖3 風(fēng)機網(wǎng)格系統(tǒng)圖

表2 網(wǎng)格獨立性分析

從表2可看出，隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加，計算得到的出口全壓值越來越接近設(shè)計值，但對比550萬和600萬網(wǎng)格數(shù)量，兩者的模擬值差別基本可以忽略?？紤]到計算時間和成本，選用網(wǎng)格3的網(wǎng)格數(shù)量級進行后續(xù)的計算，而且該網(wǎng)格計算的相對誤差為4.1%，在合理的范圍內(nèi)，可以保證計算模型的準(zhǔn)確性。

2 流場和聲場模擬

2.1 流場模擬

2.1.1 穩(wěn)態(tài)流場

根據(jù)上述邊界條件和穩(wěn)態(tài)計算設(shè)置模擬了額定安裝角下風(fēng)機的穩(wěn)態(tài)流場，通過內(nèi)部流線圖和葉片壓力云圖[11]定性驗證數(shù)值模擬邊界條件和參數(shù)設(shè)置正確性。

2.1.2 穩(wěn)態(tài)計算設(shè)置

穩(wěn)態(tài)計算時湍流模型設(shè)置為Standard模型，近壁面處理設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)壁面方程，由于本文不考慮溫度變化對氣動噪聲的影響，因此控制方程不開啟能量方程，僅考慮質(zhì)量守恒和動量守恒方程；動葉輪區(qū)設(shè)置為多參考系模型[11]（Moving Reference Frame,MRF），可對獨立的計算區(qū)域指定不同的旋轉(zhuǎn)速度，但在計算過程中，MRF模型的計算區(qū)域之間網(wǎng)格不會發(fā)生相對運動，該模型僅適用于穩(wěn)態(tài)計算，計算出的流場是充分發(fā)展的流場，采用MRF模型時，設(shè)置風(fēng)機葉輪的轉(zhuǎn)速為990r/min；由于本模擬的介質(zhì)假定為不可壓流體，采用壓力基隱式求解器[12]，選擇SIMPLE算法[13]來耦合壓力和速度，各項氣動性能的指標(biāo)參數(shù)設(shè)置為二階迎風(fēng)，當(dāng)各計算殘差值小于給定標(biāo)準(zhǔn)1×10-5時，認(rèn)為計算收斂。

2.1.3 額定工況的流場分析

根據(jù)上述邊界條件和穩(wěn)態(tài)計算設(shè)置模擬了額定安裝角下風(fēng)機的穩(wěn)態(tài)流場，通過內(nèi)部流線圖定性驗證數(shù)值模擬邊界條件和參數(shù)設(shè)置的正確性，圖4為風(fēng)機整體流線分布。

圖4 風(fēng)機整體流場流線圖

由圖4可知，氣流以直線流動的方式進入喇叭口；然后接觸動葉輪，通過葉片與氣流周期性作用產(chǎn)生升力，提高流體壓頭。氣流在葉輪內(nèi)的速度沿葉高方向逐漸升高，該區(qū)域內(nèi)的氣流速度最大；最后氣流經(jīng)過靜葉片的導(dǎo)流作用，從紊亂趨于穩(wěn)定，流動呈現(xiàn)較小范圍的螺旋狀[14]。

2.2 聲場模擬

基于流場的計算結(jié)果，F(xiàn)luent通過計算時域積分和面積分求解FW-H方程以獲得風(fēng)機進出口噪聲聲壓級隨安裝角的變化規(guī)律[2]。在距離進口面和出口面中心1m的水平位置設(shè)置噪聲監(jiān)測點，如圖5所示。通過比較不同的噪聲源面對氣動噪聲的影響，最終選定機殼+葉輪為噪聲源面，如表3所示。

圖5 進出口測點

表3 不同聲源面的計算結(jié)果

2.3 進口和出口噪聲變化規(guī)律

隨著風(fēng)機葉片安裝角的變化，風(fēng)機進出口測點聲壓級變化規(guī)律如圖6所示。

圖6 進口和出口噪聲聲壓級變化曲線圖

由圖6可知，對于進口噪聲，△β由-12°偏轉(zhuǎn)到12°，聲壓級共增加了11.6dB，其中，△β從-12°偏轉(zhuǎn)到-8°時，聲壓級變化幅度最大，增加了3.4dB，占總變化值的29.3%。對于出口噪聲，△β從-12°偏轉(zhuǎn)到12°，聲壓級共增加了7.3dB，其中，△β從-12°變偏轉(zhuǎn)到-8°聲壓級變化幅度最大，增加了2.7dB，占總變化值的37%。

2.4 壁面壓力脈動規(guī)律

軸流風(fēng)機氣動噪聲的產(chǎn)生與壁面和流體的相互作用力有關(guān)[7]，引入波動方差的比率CD總結(jié)壁面壓力脈動隨安裝角的變化規(guī)律。

式中：m為機殼、葉輪、輪轂上的監(jiān)測點數(shù)量；n為采樣步數(shù)，即葉輪轉(zhuǎn)動一個流道的時間。

風(fēng)機壁面壓力脈動率變化隨安裝角變化如圖7所示。

由圖7可知，壁面的壓力脈動程度逐漸增加，安裝角從△β=-12°偏轉(zhuǎn)到△β=-8°時，CD值變化幅度最大，說明聲壓級增加幅度最大。

圖7 風(fēng)機壁面壓力脈動率變化隨安裝角變化的曲線圖

3 結(jié)論

基于Fluent數(shù)值模擬，分析了動葉可調(diào)軸流風(fēng)機穩(wěn)態(tài)流場的流線分布，總結(jié)了動葉可調(diào)軸流風(fēng)機進出口噪聲和風(fēng)機壁面壓力脈動率隨安裝角的變化規(guī)律。

（1）氣流受到動葉的升力作用后，在葉輪內(nèi)的流速最大且沿葉高方向逐漸增加，而后經(jīng)過靜葉片導(dǎo)流，流動趨于穩(wěn)定并呈現(xiàn)較小范圍的螺旋狀。

（2）△β由-12°偏轉(zhuǎn)到12°，進出口噪聲聲壓分別增長了11.6dB和7.3dB，進出口噪聲均在△β從-12°偏轉(zhuǎn)到-8°時，聲壓級變化幅度最大，分別增加了3.4dB和2.7dB，其他工況下，安裝角每正向偏轉(zhuǎn)4°，進口噪聲聲壓級增加1～2dB，出口噪聲聲壓級增加0.5～1.5dB。

（3）壁面的壓力脈動程度隨安裝角的增大而逐漸增加，CD值在安裝角從△β-12°偏轉(zhuǎn)到△β-8°時變化幅度最大，說明聲壓級增加幅度最大，且CD值逐漸增加與聲壓級變化規(guī)律相符。

研究結(jié)果表明，動葉可調(diào)軸流風(fēng)機進出口噪聲聲壓變化規(guī)律與壁面的壓力脈動隨安裝角變化規(guī)律一致，且聲壓級和壓力脈動均在安裝角從△β-12°偏轉(zhuǎn)到△β-8°時變化幅度最大，驗證了實驗結(jié)果的正確性。