扭曲葉輪對(duì)多翼離心風(fēng)機(jī)內(nèi)流及噪聲特性的影響分析*

赫英歧,雋成林,韓 華,李晉毅

(1.江蘇財(cái)經(jīng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能工程技術(shù)學(xué)院,江蘇 淮安 223003;2.淮陰工學(xué)院 交通工程學(xué)院,江蘇 淮安 223003;3.鄭州宇通重工有限公司,河南 鄭州 450000;4.天津大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,天津 300350)

0 引 言

離心風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易,主要由蝸殼及葉輪組成。離心風(fēng)機(jī)主要是通過葉輪高速旋轉(zhuǎn),將軸向氣流橫向輸出,具有運(yùn)行平穩(wěn)、高流量、低噪聲等特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于各工業(yè)領(lǐng)域的送風(fēng)系統(tǒng)中。

隨著離心風(fēng)機(jī)在各工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛,離心風(fēng)機(jī)的內(nèi)流及噪聲特性也備受企業(yè)和科研人員的關(guān)注。

朱之墀等人[1]提出了一種離心風(fēng)機(jī)的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法,推進(jìn)了業(yè)界對(duì)于離心風(fēng)機(jī)氣動(dòng)和噪聲性能的研究;但是由于軟件的局限性,朱之墀等人的研究未能進(jìn)行得更加深入。

針對(duì)離心風(fēng)機(jī)內(nèi)流特性問題,許多研究人員也展開了一系列研究。黃建德等人[2]使用五孔探針,對(duì)風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)試,探究了風(fēng)機(jī)的內(nèi)流分布情況,但是黃建德等人的研究未能總結(jié)風(fēng)機(jī)內(nèi)流的規(guī)律。DARVISH M[3]針對(duì)不同的湍流模型,討論了風(fēng)機(jī)的特性曲線和速度場(chǎng),但其未對(duì)標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型進(jìn)行必要的討論。徐立章等人[4]研究了雙出風(fēng)口多風(fēng)道離心風(fēng)機(jī)的內(nèi)部流場(chǎng),但他們未對(duì)離心風(fēng)機(jī)的仿真模型進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。蔣博彥等人[5]采用不同風(fēng)機(jī)參數(shù),數(shù)值模擬了風(fēng)機(jī)的內(nèi)流場(chǎng),但是該研究得到的非定常模擬結(jié)果超出5%的誤差范圍。

與此同時(shí),馬振來等人[6]研究了由于不穩(wěn)流及渦流現(xiàn)象,而導(dǎo)致的風(fēng)機(jī)振動(dòng)和噪聲等問題,該研究對(duì)最優(yōu)工況的說明不夠充分。蔡建程等人[7]采用儀器對(duì)離心風(fēng)機(jī)噪聲進(jìn)行了測(cè)量分析,得到的結(jié)果表明,與葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)相關(guān)的旋轉(zhuǎn)頻率分量最大,離散分量在風(fēng)機(jī)噪聲頻譜中較為明顯;但其未對(duì)風(fēng)機(jī)氣流性能做出對(duì)比,離散頻率處D的噪聲聯(lián)系函數(shù)值在1/2之上,而寬頻分量處的聯(lián)系函數(shù)值比較小。

LIU Z L[8]將泵腔內(nèi)的流體流動(dòng)簡(jiǎn)化為理想流體流動(dòng),研究了泵腔內(nèi)壓力隨半徑的變化規(guī)律。KHALIFA A E等人[9]采用實(shí)驗(yàn)的方式,在不同的流量下,研究了泵內(nèi)部壓力脈動(dòng)與泵體振動(dòng)的規(guī)律。寧可等人[10]通過算法優(yōu)化了葉型參數(shù)表達(dá)式,使得通風(fēng)機(jī)的效率得到了提高,其性能得到了提升。刁雷[11]結(jié)合雙圓弧葉片設(shè)計(jì)理論,對(duì)葉輪葉片結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),并分析了其內(nèi)流特性細(xì)節(jié),使得風(fēng)機(jī)的風(fēng)量得到了提升;但其未對(duì)氣動(dòng)噪聲做出模擬實(shí)驗(yàn)和分析。

焦碩博等人[12]的研究發(fā)現(xiàn),對(duì)于傾斜葉片葉輪,在前盤側(cè)葉輪外徑減小時(shí),可減少風(fēng)機(jī)的噪聲。YAMAZAKI S[13]和NIKKHOO M[14]通過對(duì)風(fēng)機(jī)的研究,指出了葉輪角度沿軸向方向適當(dāng)?shù)嘏で?可提高風(fēng)機(jī)氣流均勻性,并有助于提高效率、降低噪聲。但上述兩項(xiàng)研究均未對(duì)扭曲程度做出深入探究。

為此,筆者通過研究葉輪扭曲度對(duì)多翼離心風(fēng)機(jī)內(nèi)流特性及噪聲特性的影響,分析對(duì)比其氣動(dòng)性能、速度流線、渦量云圖、氣動(dòng)噪聲;并通過討論不同工況下風(fēng)機(jī)的流動(dòng)特征及噪聲特點(diǎn),以指導(dǎo)低噪離心風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)。

1 風(fēng)機(jī)模型及模型驗(yàn)證

1.1 風(fēng)機(jī)模型

多翼離心風(fēng)機(jī)的實(shí)物圖如圖1所示。

圖1 多翼離心風(fēng)機(jī)實(shí)物圖

多翼離心風(fēng)機(jī)主要參數(shù)如表1所示。

表1 多翼離心風(fēng)機(jī)主要參數(shù)

多翼離心風(fēng)機(jī)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 多翼離心風(fēng)機(jī)計(jì)算模型

多翼離心風(fēng)機(jī)主要由葉輪、蝸殼等組成。

筆者忽略風(fēng)機(jī)的細(xì)小零部件,延長(zhǎng)風(fēng)機(jī)進(jìn)出口,避免回流影響計(jì)算精度,建立風(fēng)機(jī)的計(jì)算模型。

筆者將葉輪葉片進(jìn)行不同程度的彎曲扭轉(zhuǎn),即扭葉片;設(shè)置不同扭轉(zhuǎn)角分別為0°,3°,6°和9°。不同離心風(fēng)機(jī)扭曲度的風(fēng)機(jī)葉輪計(jì)算模型如圖3所示。

圖3 不同扭曲度葉輪計(jì)算模型

圖3為扭轉(zhuǎn)角分別為0°、3°、6°和9°的4種不同扭曲度葉輪計(jì)算模型。接下來,筆者研究不同扭曲度對(duì)多翼離心風(fēng)機(jī)內(nèi)流及噪聲特性的影響。

1.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件

離心風(fēng)機(jī)網(wǎng)格劃分及局部網(wǎng)格細(xì)化如圖4所示。

為節(jié)約計(jì)算成本,筆者采用Star-CCM+對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行六面體網(wǎng)格劃分,表面重構(gòu)采用增強(qiáng)質(zhì)量三角形,執(zhí)行曲率細(xì)化。核心網(wǎng)格優(yōu)化循環(huán)2次,質(zhì)量閾值設(shè)置0.6。流體域設(shè)置網(wǎng)格基礎(chǔ)尺寸4 mm,葉輪區(qū)域設(shè)置基礎(chǔ)尺寸2 mm,葉片執(zhí)行面細(xì)化50%;進(jìn)行了網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證,最終確認(rèn)網(wǎng)格數(shù)量為1.52×106;

以葉輪外徑計(jì)算圓周速度與當(dāng)?shù)芈曀僦葹?.5×10-2,其馬赫數(shù)M<0.3;以進(jìn)口直徑為特征長(zhǎng)度計(jì)算雷諾數(shù)Re=2.453 1×105,雷諾數(shù)遠(yuǎn)大于湍流界限Re=4×103。因此,計(jì)算模型為不可壓縮湍流模型;

筆者采用基于壓力求解器,控制方程選擇基于節(jié)點(diǎn)的Green-Gauss;湍流模型采用Realizablek-ε,壁面方程選擇標(biāo)準(zhǔn)壁面,壓力速度耦合選用SIMPLEC,壓力及其他方程選擇二階迎風(fēng)格式;設(shè)置進(jìn)出口為壓力進(jìn)出口,設(shè)置表壓為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓,其余邊界為wall。葉輪區(qū)域與流體域采用交界面連接。

此處的定常計(jì)算采用多參考坐標(biāo)系MRF,計(jì)算步數(shù)為5 000步;非定場(chǎng)流場(chǎng)計(jì)算葉輪區(qū)域設(shè)置Mesh Motion。

筆者根據(jù)式(1)計(jì)算得到時(shí)間步長(zhǎng)為7.692 308×10-5s,葉輪旋轉(zhuǎn)5圈,最大迭代步取10,設(shè)置時(shí)間步1.5×103步。監(jiān)測(cè)變量出現(xiàn)了明顯的周期性變化,表明風(fēng)機(jī)內(nèi)流場(chǎng)達(dá)到了穩(wěn)定流動(dòng)。

時(shí)間步長(zhǎng)計(jì)算公式如下:

(1)

式中:N—最大迭代步數(shù);ω—葉輪的轉(zhuǎn)速,rad/s;Z—葉片數(shù)量。

噪聲計(jì)算輸入非定常流場(chǎng)為初始解,計(jì)算葉輪旋轉(zhuǎn)5圈;開啟FW-H模型,設(shè)置噪聲源為葉輪及蝸殼壁面,接收點(diǎn)設(shè)置參照《GB/T 7725—2004》中的通風(fēng)器具規(guī)定的測(cè)試點(diǎn)為1 m。

2 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

多翼離心風(fēng)機(jī)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖5所示。

圖5 多翼離心風(fēng)機(jī)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

通常情況下,利用葉輪功率、全壓效率對(duì)流體機(jī)械進(jìn)行性能評(píng)價(jià),即:

(1)葉輪功率:

P=Tω

(2)

(2)全壓效率:

(3)

式中:T—葉輪扭矩,N·m;ω—葉輪轉(zhuǎn)速,rad/s;Δp—進(jìn)出口全壓差,Pa;Q—出口風(fēng)量,m3/s。

離心風(fēng)機(jī)流量-全壓效率性能曲線試驗(yàn)和仿真對(duì)比結(jié)果如圖6所示。

圖6 流量-全壓效率性能曲線試驗(yàn)和仿真對(duì)比

為了驗(yàn)證模型仿真可靠性,筆者通過試驗(yàn)和仿真對(duì)比驗(yàn)證了多翼離心風(fēng)機(jī)性能曲線。

試驗(yàn)臺(tái)及相關(guān)測(cè)量?jī)x表搭建時(shí),按照《GB/T 10178—2006》的要求,筆者將風(fēng)機(jī)安裝在氣流特性測(cè)試設(shè)備臺(tái),用防風(fēng)膠布將風(fēng)機(jī)出風(fēng)口與氣流特性測(cè)試臺(tái)測(cè)試口進(jìn)行密封,在葉輪邊緣貼上反光紙,用于紅外線接收轉(zhuǎn)速信號(hào),從而計(jì)算風(fēng)機(jī)葉輪功率;當(dāng)量面積設(shè)置為6.17×10-6m2,初始閥門量程取0,即關(guān)閉所有閥門。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)大氣壓89 kPa,大氣濕度55.3%,風(fēng)室溫度22.5 ℃,用于標(biāo)態(tài)流量換算。關(guān)閉風(fēng)壓控制模式,開啟輔助風(fēng)機(jī),啟動(dòng)被測(cè)風(fēng)機(jī),開啟風(fēng)量控制模式,開啟不同閥門量程,選取不同風(fēng)量量程測(cè)試點(diǎn),待各項(xiàng)數(shù)據(jù)穩(wěn)定后,選擇接收數(shù)據(jù)。

由結(jié)果可知,試驗(yàn)葉輪功率及全壓效率值與仿真誤差在5%以內(nèi),說明數(shù)值模擬具有可行性。

3 仿真及結(jié)果分析

3.1 內(nèi)流特性結(jié)果分析

不同葉輪扭曲度風(fēng)機(jī)性能參數(shù)如表2所示。

表2 不同葉輪扭曲度性能參數(shù)

當(dāng)葉輪的扭曲度為0°時(shí),即直葉輪,全壓效率及出口風(fēng)量明顯高于扭曲葉輪。不同葉輪扭曲度葉輪功率相差不大,這說明直葉輪風(fēng)量增大總要得益于全壓效率的提高。扭曲葉輪在全壓效率和出口風(fēng)量上差值不大,這說明葉輪發(fā)生扭曲后,扭曲度對(duì)其性能的影響不明顯。

風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)5圈后,不同扭曲度葉輪離心風(fēng)機(jī)在截面Z=0.03 m處的瞬態(tài)速度-流線圖,如圖7所示。

圖7 不同葉輪扭曲度速度-流線圖

由圖7可以發(fā)現(xiàn):整體流場(chǎng)規(guī)律相似,均由風(fēng)機(jī)進(jìn)口貫穿葉片后流出,不同扭度葉輪葉尖最大風(fēng)速均在65 m/s左右;

當(dāng)葉輪扭曲度為3°和6°時(shí),風(fēng)機(jī)出口處漩渦得以減少,出口處蝸殼附近葉片后緣渦核渦流脫落,導(dǎo)致下游葉片產(chǎn)生脫落渦,被偏心渦吸引,使得更多的氣流二次貫穿葉輪,從而出口回流量越小,更多流量從風(fēng)機(jī)出口流出;

當(dāng)葉輪扭曲度為9°時(shí),葉輪偏心渦大量消散,形成大彎繞流,氣流在右側(cè)密集,從而導(dǎo)致中部氣流減少,右側(cè)蝸殼密集,出口風(fēng)量略有減少,全壓效率下降。

筆者選取將一定扭曲度葉輪葉片,用于改善風(fēng)機(jī)效率、風(fēng)量的設(shè)計(jì),為風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)提供幫助。

氣流輻射噪聲是由于渦流破裂、糅合產(chǎn)生。渦聲理論將渦量大小和氣流輻射噪聲相聯(lián)系,掌握流場(chǎng)中的渦量大小、變化及運(yùn)動(dòng)的情況,可了解其氣流輻射噪聲情況。

渦量最大的位置在偏心渦附近,其次是風(fēng)機(jī)出口左側(cè)蝸舌處及葉尖處。這是因?yàn)槊撀涞暮缶墱u與蝸殼、葉背相互干涉的作用下,葉輪葉片附面層內(nèi)壓力梯度加大,氣流的旋渦不斷加劇。

隨著葉輪扭曲度的增加,葉輪偏心渦逐漸變?nèi)?甚至消失,葉尖渦流同樣明顯減弱,渦流強(qiáng)度的減小導(dǎo)致渦流范圍流速的降低,從而渦流破裂、糅合程度減小,噪聲減小,漩渦的減少導(dǎo)致風(fēng)機(jī)渦流噪聲。

斯托克斯公式中反映了渦通量速度環(huán)量的關(guān)系,即:

(4)

式中:Ω—渦通量,s-1;S—小圓的面積,m2;v—?dú)饬魉俣?m/s;L—小圓的周界,m。

忽略高階的小量,筆者以定義平均切速度,則流體微團(tuán)繞該點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的平均角速度是點(diǎn)的渦量大小的一半,方向與微團(tuán)瞬時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)的軸線在同一直線上[15]。

渦量與氣流角速度關(guān)系式如下:

(5)

式中:v—?dú)饬魉俣?m/s;ω—?dú)饬鹘撬俣?rad/s;a—渦流半徑,m。

當(dāng)葉輪扭曲度為6°時(shí)的渦量云圖如圖8所示。

圖8中,A處為回流渦A,B處為回流渦B;多翼離心風(fēng)機(jī)[16，17]的渦量特征是在相鄰兩片葉片的壓力面與吸力面形成回流渦,靠近出口側(cè)葉片渦量更大,在葉尖及葉片尾緣形成較大渦量。

不同扭曲度下,葉輪風(fēng)機(jī)回流渦渦心處的渦量如表3所示。

表3 不同葉輪扭曲度回流渦渦量

由表3可知,當(dāng)葉輪扭曲度為6°時(shí),回流渦A和回流渦B渦量較少,因而其出口風(fēng)量及全壓效率最高。

3.2 噪聲特性結(jié)果分析

當(dāng)多翼離心風(fēng)機(jī)葉輪以恒定角速度旋轉(zhuǎn)時(shí),葉輪葉片沖擊氣流質(zhì)點(diǎn),葉片每次經(jīng)過質(zhì)點(diǎn)時(shí)沖擊會(huì)帶來一次壓力脈沖,從而使得葉輪受到的連續(xù)沖擊不斷,形成壓力脈沖,氣流則產(chǎn)生不穩(wěn)定性,從而產(chǎn)生輻射噪聲。

旋轉(zhuǎn)噪聲反映的是離散頻率噪聲,其計(jì)算公式如下式:

(6)

式中:ω—葉輪的轉(zhuǎn)速,r/min;i—諧波數(shù);N—葉片的數(shù)量。

不同葉輪扭曲度下,風(fēng)機(jī)的聲壓頻譜圖如圖9所示。

圖9 不同葉輪扭曲度聲壓頻譜圖

由式(6)計(jì)算得到風(fēng)機(jī)的基頻為1 300 Hz。又由圖9可知:在0°、3°、6°及9°扭曲度下,在決定風(fēng)機(jī)噪聲的基頻1 300 Hz處的噪聲隨著扭曲度的增大而減小,其噪聲值分別為53.95 dB、53.89 dB、52.80 dB和45.60 dB。

基頻噪聲決定了風(fēng)機(jī)氣動(dòng)噪聲的峰值,可見扭曲葉輪在基頻處噪聲抑制效果甚好。在0°～9°扭曲范圍內(nèi),扭曲度越高其基頻噪聲越低,但在尋求低噪的同時(shí),還應(yīng)滿足氣動(dòng)性能的要求。

在倍頻2 600 Hz、3 900 Hz、5 200 Hz及6 500 Hz處,扭曲葉輪風(fēng)機(jī)均取得了良好降噪效果。這說明葉輪扭曲度的增加可大幅減少離散噪聲的形成,且在基頻處更為明顯。

在倍頻處,各扭曲度相對(duì)于直葉輪均體現(xiàn)出了良好的降噪效果。當(dāng)扭曲度為9°時(shí),在倍頻處的噪聲較扭曲度為3°和6°時(shí)更高。這說明扭曲度過大會(huì)導(dǎo)致倍頻處噪聲升高。

不同葉輪扭曲度下,風(fēng)機(jī)1/3倍頻程頻譜圖如圖10所示。

圖10 不同葉輪扭曲度1/3倍頻程頻譜圖

由圖10可知:在基頻和倍頻處,扭曲葉輪相對(duì)于扭曲度0°均在A聲壓級(jí)展現(xiàn)出良好的降噪效果。扭曲度為0°、3°、6°及9°時(shí),噪聲最大值分別為67.00 dB、63.78 dB、62.80 dB和57.98 dB;

相對(duì)于扭曲度0°的情況,扭曲度為3°、6°及9°時(shí),其噪聲分別降低了3.22 dB、4.2 dB、9.02 dB;

在低扭曲度3°、6°下,在高頻段噪聲抑制效果較好;而在高扭曲度下,在低頻段噪聲抑制效果較好。

綜上所述,該型多翼離心風(fēng)機(jī)的低噪化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則可參考調(diào)整風(fēng)機(jī)技術(shù)參數(shù)葉輪扭曲度,增大葉輪扭曲度可降低整體聲壓級(jí);降低高頻段噪聲可采用葉輪扭曲度3°、6°;要在低頻段獲得較好噪聲抑制效果,則采用葉輪扭曲度9°。

4 結(jié)束語(yǔ)

筆者通過數(shù)值模擬的方式,模擬了不同扭曲度下多翼離心風(fēng)機(jī)的非定常內(nèi)流場(chǎng),分析了扭曲葉輪對(duì)氣動(dòng)性能及內(nèi)流特性的影響;并結(jié)合FW-H方程,計(jì)算了不同扭曲度多翼離心風(fēng)機(jī)的離散噪聲。

研究結(jié)論如下:

(1)扭曲葉輪會(huì)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能有所下降,但同時(shí)其渦流會(huì)減少,其內(nèi)流特性會(huì)出現(xiàn)去偏心渦現(xiàn)象;

(2)扭曲葉輪可有效降低風(fēng)機(jī)的噪聲,高扭曲度葉輪在風(fēng)機(jī)低頻段的降噪效果較好,低扭曲度葉輪則在風(fēng)機(jī)高頻段的降噪效果更好。

在后續(xù)的研究中,筆者將采用進(jìn)一步增加葉輪扭曲度對(duì)比組,尋求更優(yōu)的葉輪扭曲度;同時(shí),采用仿生葉輪葉片來進(jìn)一步降低噪聲。