振动特性外文翻译

流量测量和仪表

利用实验和数值研究尾缘形状对三维轴流风机出风口气体流动的影响

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文早信息:

文章来历

关键词：轴流风机尾缘热线技术雷诺应力模型

接收2009年3月15日

修订2009年8月13日

收录2010年2月5号

摘要：

本文的主要目的是研究轴流风机尾缘结构对风机出风口湍流流动的影响。

本文研究的风机主要为三个低气压且低马赫的轴流式风机，分别为径向，向前和

向后扫描三种不同的叶轮结构。本文采用了实验和计算流体动力学（CFD）方法对三个风扇进行了研究，并对结果进行了相应的比较。该方法是一个用三维（3D）的雷诺平均方程和纳维斯托克斯方程与雷诺应力模型作为湍流模型（RSM ）的

数值模拟方法。它使我们能够计算出雷诺应力张量的分量。不平稳速度的测量可利用风扇下游的热线技术来测定，并对三个速度组分量与从利用实验和模型得到的雷诺兹应力张量的六个组分的值进行比较。同时，此现象还用于验证设计和风扇模型的正确性。由此最终得到，前缘减少了组元径向的速度，而尾缘则增加了这部分的速度。此外，尾缘对风扇下游湍流的动量有重要影响作用。

引言：

涡轮机械中流体的流动情况非常复杂。他们的共同特征是三维的、粘性的和不稳定的特征。几何特点及运行情况对涡轮机械中的流体流动也有重大的影响

不稳定的气动力现象常常是出现在空气动力性数值减少的情况下，而且它们也是

产生噪声和驰振现象的原因。因此非稳态流在对轴流风机进行调查的时候是一个重要的课题内容。对于那些复杂的流动研究，可利用不同的紊流模型进行数值模拟。计算流体动力学（CFD）工具可使那些用纳维尔斯托克斯方程的无法给出的不稳定气动特性的流动特性问题得以解决。而且，利用直接数值模拟或大涡模拟方

法对于像涡轮机械这样复杂的几何流体力学工业中的代价是非常昂贵的。

本文的目的是为了确定蜗舌对风机尾缘的下游速度分量的影响。这些不稳定

部件可以分为确定性的和随机性的两部分。确定性部分为叶片通道频率及其倍频的离散成分。它由转子叶片及其环境之间的周期性的不稳定的作用力而产生。随

机性部分主要是由于在旋转的叶片翼周围存在紊乱流场，因而促使所有的频率超过了5到20万赫兹的频带范围。

本文提出了一种初步的噪音预测方法的研究。且将湍流产生的动能作为噪声预测模型的输入［1，2］。雷诺应力模型的湍流模块能够使我们精准的计算湍流流动所具有的动量（4.3部分）。

本文以汽车冷却系统中的轴流式风机作为个案进行研究。因为它们常常受较差的流入条件所牵制。正由于这个流入状况产生了周期性的和随机性的力，导致

了一定音频和带宽的噪音。此外，由于叶片表面上的湍流边界层的交互作用与尾缘的作用产生的波动不平的力使得风机产生了宽频的独立噪音。

使用对降噪叶片扫尾对降低噪声似乎是有效的。汉森［3］主要研究了通过取消产生噪声的所处不同径向相位的位置降低叶片的噪声音调的问题。他还研究叶

片对叶片的相互干扰。通过他的研究结果，可以看到大角度的叶尾对于叶片之间的作用是非常有利的，尤其对于低速转子，与亚拉巴马州的夫卡诺［4］、科明斯⑸ 等人的研究是类似的。此外，夫基塔⑹的实验表明，合理数值的尾缘对降低噪声也相当的有利。

值得一提的是，艾维亚［7］与卡尔森［8］的研究工作似乎还为选择叶片尾缘角度的分布提供了理论依据。该理论对降低湍流因素所产生的噪声的降低有明显的影响。将之应用于低速轴流风机的前后尾缘，不但改变了噪声源的空间分布，也

使得它们不会在刀片半径范围内同时产生。这样产生相位变换变为沿翼展方向上的的压力和速度分量和在的破坏性或建设性的结果之间的干扰，从而对辐射噪声进行修改。有关空气动力和车内的声学特性的具有叶片尾缘的轴流式风机的完整的文献在参考书目［9］中有具体分析。

雷诺纳维尔数值模拟稳定和不稳定的加载在叶片的力和福克斯威廉霍金姆斯的构想可以用来辅助声调部分音谱［10］所聚集的叶轮。为了空间的统一而非时间不稳定的流动，但是，雷诺纳维尔数值模拟作为宽频噪声预测的方法是行不通的。宽频噪声的预测来源的模拟数值需要高精度数值。亚拉巴马州的卡洛斯［11］曾利用热线技术获得为各种不同的流入配置使用的湍流静态数据库统计。这些结

果被拿来与莱斯的模拟结果作为比较。莱斯预测LES的影响叶片波动动荡和风

机噪声与其有利的实验相比较。莱斯莱斯模型不但工业耗能价格昂贵，而且不如雷诺纳维尔斯托克斯动量方程的计算更有用的［1，2］。

第二部分提出了用实验装置来测量风机下游的三维不稳定速度分量。测量是通过热线技术测量风机下沿半径流体的通过量。分析动荡的波动数据，元件的速度紊动应力张量可用湍流动能来描述。然后模拟三种不同的风机（第三部分）的模型和计算。最后，其结果将在第四部分进行比较与分析。

2、实验装置

这项研究所采用的风机样为三个轴流式风机原型。其叶片按叶片伸展方向为三种不同方式的径向辐射状。如图1所示：

第一个风机模型所展示的为径向扫掠状结构（G2rad）,第二个为向前旋转式扫掠状模型（G2for）,而第三个为向后旋转式扫掠状模型（G2back）。对于第二和第三模型而言，其扫略模型为对称结构，但是其它的几何结构确实同样的，每一个风机都

有八片风叶。三个轴流式风机的结构设计有如下特征：

外部半径Rext =187.5mm 内部半径Rint=85mm

相隔错开角度为75 °护罩的厚度为 2.5mm

转子建立在一根用细长的最大值厚度仅为55毫米的沿眉形线的NACA0065 叶片上，在前缘和拖尾处以圆弧过渡，其旋转速度是45HZ。

根据表1可知，对于所有测量的名义流动速率，三个风机的名义流动速率9

为 1.3 n。

2.1试验设备

在这项研究中，采用了连续温度测量技术（CTA），因为它能够快速、精确的传递时间系列和宽带光谱信号。根据径向平衡的假说，轴流式风机应该是可以忽略二维流动和径向组件的绝对速度。但是这种情况很少，因为观察同心圆空气管之间的能量转移，对轴流式风机三维流场的描述还是需要的。同时，风机的主轴转动切向和径向分量的测量速度必须和之前估算的值进行对比。

用一个2D Dan tec 55R51的热纤维膜探测器测量分量部分的瞬时速度。可测量两不同角度的测量位置的物理值，以确定三个速度分量。因而，采用一个可

旋转90度的轴探针进行测量。使用一个2D探针得到如同描述的完整的空间结构的流场，完整的测量系统由一个5H24探针点测的情况下，如果一个采用连续温度测量技术的每线最小CTA的54T30，一个标准的PCI6048-E型A / D，和一个转数表和一个能使抽样信号达到250千赫兹的触发器的相应软件CTA V3.4，如图2和图3显示的实验设备。根据ISO5801标准［12］设计和建造的空气试验台，能使空气流动速度在设计点的控制范围内，并且选择适当的孔板直径。

在风机下游采用11等分分布的均匀径向间隔热线探测器定位点探测，离尾

缘在中心10毫米处，风机的转角B如（图4）。测量得到B绝对角速度基本为中等

转速。绝对速度角度依赖于风机机构和流量，所以每个风机测定值是不同的。此外，这个沿半径角度变化的结构如图3。在所有测量点中，以绝对转速适中的点