1、国际旋转机械杂志 Hindawi 出版公司 国际旋转机械杂志 卷 2007，文章编号 34901， 10 页 日期： 2007/10/17 研究论文 在离心风机非定常流叶轮几何的影响 :数值和实验分析 Younsi 巴克尔 F 和 R kouidri，雷的实验室，国立艺术与 sup151 大道医院教育处（法国巴黎），于 2007 年 5 月 14 日寄出 ;2007 年 11 月 26 日接受 由 Ion Paraschivoiu 推荐 本研究的目的是评估设计参数对非定常流前弯离心风机及对空气声学的行为的影响。为此 ,数值和实验研究已经被实行了四个不同几何参数的离心叶轮设计。同样的涡形机壳已经
2、用于研究这些叶轮。对非定常流的行为的影响与不规则的叶片间距 ,叶片数和径向叶轮边缘之间的距离和蜗壳舌部进行了研究。数值模拟非定常流已经使用计算流体动力学 (CFD)工具基于非定常雷诺平均纳维斯托克斯 (URANS)方法。研究重点是不稳定引起的空气动力蜗壳和旋转叶轮叶片之间的相互作用。为了预测在远场声压 ,非定常流变量提供的 CFD 计算在 Ffowcs Williams-Hawkings 方程 (FW-H)中被用作输入。这个工作涉及气动测量的实验部分风扇使用试验台的性能根据 ISO 5801(1997)标准。此外 ,压力麦克风为了测量墙的压力波动已经嵌装蜗壳舌部表面。声压级 (SPL)测量为了
3、消除干扰噪声反射在消声室中进行了。最后 ,数值结果与实验测量结果和墙压力波动之间的相关性和远场噪声信号被发现。 版权 2007 m . Younsi et al。这是一个开放的文章在知识共享归属许可下发布的 ,允许不受限制地使用、分配和复制在任何媒介 ,提供最初的工作是正确引用。 1.介绍 前弯离心风机和轴流式风机相比质量流率和密实度大广泛应用于工业中。除此之外 ,和相比落后的风机他们有一个更高的总压强上升相比 ,。尽管他们的低效率 ,但是他们还是可以在建筑集中供热和空调系统采用循环风机 ,作为汽车鼓风机heating-cooling 单位和许多其他应用程序。 最近三维粘性流场的 CFD 技术
4、的发展提供了一个有效用于分析和设计的工具。因此 ,把 URANS 方法用于流体分析技术在涡轮机应用中已经取得了令人瞩目的成绩。 国际旋转机械杂志 最近 ,更多的关注已经投入到研究设计参数对性能的影响和离心风扇的噪音上。 Boltezar 等人。 2研究了不规则的叶片间距汽车交流发电机径向风机在全部SPL 和噪声谱中的影响。在他们的研究中 ,他们计算 SPL，光谱值理论，几种类型的值和比较风机不同叶片间距来测量结果。他们发现 ,改变叶片间距不会显著改变总 SPL。然而 ,声功率在几个谐波的重要分散被发现与不规则的风扇叶片间距 ,从而允许减少警笛的效果。他们从理论上预测这种现象并在实验证实它。Je
5、on3使用离散涡方法 (数字式电压表 )来描述离心风机的流场。他采用了Lowson4方程以获得声远场信息从叶片上的不稳定的力量波动。他的研究的目的是探讨旋转速度的影响 ,流速 ,截止距离 ,叶片上的噪音。 Cho and Moon5通过求解二维 (2 d)不可压缩 n - s 方程来计算使用的非定常粘性流场的横流风机。他们开发了 FWH 方程来预测声压力和研究声受益不平衡的叶轮叶片间距。 表 1：参考风机的几何特性。 叶轮 va160 参考 描述价值 叶片数 39 叶轮宽度 70mm 叶片弦长 26.2 mm 叶片厚度 1mm 叶片入口角 5 叶片出口角 70 叶片形圆弧 图 1：刀片间角分布
6、 叶轮进口直径 120mm 叶轮出口直径 160mm 转速 3000 rpm 叶片数 蜗壳 入口直径 120mm 出口尺寸 100 *76 mm 蜗舌半径 5mm 蜗舌的位置 90 毫米的半径 国际旋转机械杂志 蜗壳形状对数定律 图 2：调查粉丝的几何形状 Ballesteros tajadura 等人。 6一三 完全不稳定的三维数值模拟在整个非定常流叶轮蜗壳配置一个印度 试验离心风机。他们获得的压力波动在一些地方，在蜗壳壁，他们发现了一个很好的数值模拟与实验结果的一致性 结果。在这项研究中，无论是数值模拟和实验研究 方法是用来评估在设计参数的影响 对离心风机和它们的影响的非定常流，在气动性能
7、。 2球迷介绍 在这项研究中，四个叶轮（ va160， va160d， va150， va160e）设计的各种几何参数在同一蜗壳的研究。我的 va160 39 叶螺旋桨作为参考。 COM 相对于va160，呈现不规则的 va160d 刀片间距，有二 的 va150 不同叶轮出口直径（ 150毫米），和 va160e 只 有 19刀。主要的通用电气 参考的叶轮 ometrical 特点和 VO 琵琶套管列于表 1。关于 va160d 叶轮、叶片间距分布 分布已经使用下列方程本文作者提出： 在 k = 50， Z = 39， N = 3。 这个方程给出了叶片间距角度为窦 *正弦函数的叶片数 B（参
8、见图 1）。这个 va160 风扇 有一个恒定的刀片间距角度 9.23 度。 图 2 描述了四种叶轮的几何形状的联合国 在考虑。这些参数已被改变一个完整的三维计算机辅助设计模型（计算机辅助设计）为了建立原型实验研究 等。 3.实验工作 已经进行了整体测量的测试在图 3 上设计和建造的 LEMFI 显示 荣盛根据ISO 5801 标准。为了使这些测量成为可能，这种规范化的管安装放置在离心风机的上游。 国际旋转机械杂志 （ a） （ b） 出口离心风机收敛管旋转轴隔膜 与进气管 图 3：试验台和压力 uctuations测量 at the蜗壳舌（ A）以及素描实验设施（ B） 可能不同的流量通过改
9、变一个直径社会板（膜）。旋转速度由一使用光学式转速表频率转换器和测量 在 0.1%的精度。对于每一个给定的直径 器，通过离心风机提供的静态压力用微压计测量（精度 1%）。前 实验工作也由墙的测量蜗壳压力波动。因此，一个公司 01 分贝米特拉维 40 BH 1 / 4。压力麦克风 目前有 0.2 分贝的不确定性已经被安装在蜗舌表面。此外，一个阿海珐 01 分贝 米特拉维 40 AE 1 / 2。自由 场 麦克风带有 0.2 分贝不确定，受保护的鼻子锥，已被用于或 测量声压力。这些声学测量 测试已在消声室中进行（ 5.9 4.4 4.25米）。背景声压级为 18 分贝和切 O 频率为 75 Hz。
10、为了使这些测量可能的话，风扇已经适应了一个小密封盒（ 0.6 米 0.6 米 0.6 米），并符合国际标准组织5801 检验标准。一个自由 场 麦克风被放置一米远离风扇旋转轴在同一方向的出口管（见图 4）。后校准操作，麦克风信号已进入个人计算机为基础的数据采集 定位系统，和数据使用窄带宽度分析。为了比较不稳定的 流动 行为在同一个操作点（ 500 立方米 /小时调查的球迷， 680 帕），风扇转速已确定 试验。因此，对 va160 转速， va160d， va150，和 va160e 设置为 3000 转， 3000 转， 3200 转，2900 转，分别。 4、数值模拟 考虑旋转的不稳定的相
11、互作用叶轮叶片和固定风扇壳和理解内部流动，基于数值模拟有限体积数值方法采用 FLUENT 6.2 码计算所得。给定的几何参数表 1国际旋转机械杂志 中采用了以生成计算 国际域名已被分为两个区域：一种旋转区域，包括叶轮和静止区域。这种配置考虑叶轮和蜗壳之间的间隙。入口和风机的出口表面已被扩展以保证数值稳定性和减少边界条件因素方面。所得到的计算域如图 5 所示。 由此产生的几何形状已被用来建立一个混合网格。在网格重新进行了研究和适应流动形态最小元失真，高梯度区域达到所需的分辨率。这项研究的细节在以前的文章 younsi等人报道。 7， 8 。保留网格的一个例子 （ a）（ b） 图 4：在消声室的
12、声学测量（一）素描实验装置（乙） （ a） (b) 图 5：几何的 流域建模 图 6：保留对 va160风扇网格 国际旋转机械杂志 如图 6 所示。所有的网格生成的四球迷包含约二百万个元素。关于数值模拟参数，速度 城市入口和压力出口边界条件已分别应用于入口和出口。根据他的 9 ，一个 固定质量 流量在 COM 口 计算域的身体不适合非定常计算 弱，特别是考虑到转子 /定子相互作用。滑动网格技术已被应用到为了使非定常相互作用的接口叶轮与蜗壳之间。湍流被 K - SST 模型 10 模型。 SST 模性能进行了研究，在大量的验证 误码率 11 。它已被证明执行非常好不良压力梯度的空气动力流动。马克
13、斯 允许残留量低于或等于 104。执政方程已经解决了使用隔离的求解器，和一个中心的简单算法已被用于压力速度耦合。时间依赖项计划是美国证券交易委员会 二阶。 101325 帕的压力已被应用到的出口，和一个合适的值已被确定为入口。 CFD 模拟程序开始非定常流用冻结转子法计算。在这种情况下，叶轮和壳体的相对位置不改变在计算过程中。对于非定常计算，网格在计算过程中改变它们的相对位置 叶轮的角速度。时间步长非定常计算已被设置为 5.105秒。这个所选时间步长与即时通讯的转速有关 螺旋桨是足够小，以获得必要的时间分辨率 由于叶片通道的现象和捕捉到的 现象与蜗壳壁相互作用。它与 于 1 / 400 叶片通
14、过期间。这一步有已接近由以下公式： 在的设置为 2 毫米 不稳定的计算进行了七个即时通讯 螺旋桨转速，和得到的时间数据已保存为每个时间步。在窗口的时间信号采用汉明窗函数，每个记录的样品已快速傅里叶变换（ FFT）处理（ Pref = 2105 Pa），然后气动压力谱已终于得到。 5、气动计算 （ FW-H 方程的） 12， 13 ，本质上是一个非 瞬时波动方程可以得出利用连续性方程和纳维 -斯托克斯方程。这个 FW-H 方程可写成如下： 国际旋转机械杂志 首先亮电源（ 3）是单极（厚 ）和偶极子（加载）源，分别基于它们的数学结构。单极源项噪声产生的 液态 位移为体传递模型。偶极子或加载源项模型
15、的噪声，结果从非定常运动的力车身表面的分布。这两个来源都是表面的来源，即，它们仅在表面上的 f= 0 利用狄拉克函数表示（ F）。第三术语是一个四极源项，在整个卷是数据表面为 Heaviside 函数 H（ f）表示外部。 使用自由空间的格林函数（ g） / 4G = T + R / A0），溶液（ 3）得到。因此，完整的解决方案由表面积分和体积积分。的表面积分的贡献从单极和偶极声源和 部分从四极源，如果整合面是不透水的。体积积分的贡献代表四极（体积）的来源，在该地区以外当 流动 是亚源表面变小。因此，体积积分被忽略。最后， （ 5） 这两个条件（ 5）， PT（ x， t）和 PT（ x，
16、t）的权利，厚度和负载条件，分别给出 （ 6） （ 麦克风的位置） （ 集成域中使用 FW-H 方程） 图 7：声场的计算和积分的位置 作用域 国际旋转机械杂志 方括号中的（ 6）表示系统内核 积分计算相应的延迟时间是 内德如下： （ 8） 出现在各种带量（ 6）是向量的内部产品和隐含的单位向量下标。例如， （ 9） 在辐射和氮的单位矢量表示壁法线方向，分别。点过一个变量表示源时间地变化的 波动 变量稳定后采用 URANS 计算，对压力和速度 波动叶轮表面已提取2000 次，然后，在接收端计算出声压信号在气动计算过程中收集的源数据的位置。重要的是要陈述存在蜗壳是忽视了这种方法（自由 场辐射 ）
17、。为了这个原因，声压计算已在图 7 所示的位置进行。 6、 气动结果与讨论 在表 2 中可以看出， va160d 风扇（不规则叶片间距） 具有相同的特征风扇（ va160）。这一结果表明，在叶片间距的变化并不明显 明显改变风扇的气动特性。 相比于其他的球迷，这 va150 提出更好的效率由于其较小的出口半径，有助于最大限度地降低轴扭矩施加在程度的叶片脱层。 然而，压力下降是通过增加转速 3200rpm 时补偿。此外，该 va160e 风扇提供了一个更好的效率相比于 va160和 va160d 球迷。事实上，减少叶片的数目有助于通过叶轮叶片网格的空气动力损失最小化。然后，以产生所要求的风机特性（
18、 680pa），叶轮转速降低到 2900转 。 图 8 显示的瞬时速度场在 va160， va160d， va150 的 正中面，和 va160e 风扇，各自地。根据这些数字，通过叶轮的旋转产生的蜗壳为静压动压转换可以看出。一个非齐次的速度分布在蜗壳舌部与叶轮之间的间隙的外围区，具有很高的速度梯度。蜗壳舌部的作用是驱动流动对风扇出口也提出流动的奇异性。在蜗壳形状创建一个几何不对称的影响的速度和压力分布。 va160 和 va160d 风扇之间的比较 表明，叶片间距的变化并不明显改变整个风扇的流动场。另一方面，该 va150 风扇提出了在叶轮周边更均匀的 流 动场 ，特国际旋转机械杂志 别是在蜗
19、壳舌部区域。在这样的配置，蜗壳舌部和 旋转叶片之间的相互作用是通过减少蜗壳舌部与叶轮外围之间的径向距离最小化。 根据图 8，与较小数量的 va160e 误码率的叶片产生一个非齐次 流动场， 特别是在叶轮的边缘。类似的结果在 14 关于在离心泵流动场影响叶片数的因素。 表 2：气动特性 图 8：瞬时速度场在子午面（ 0.14秒）通过增加旋转速度为 3200转 7、壁压波动光谱分析 在压力 波动的时间历程 研究了节点在蜗壳舌部示于图 9 对应的谱分析。怒江 数值结果与实验数据。 CON 中 va160 和 va150 球迷，一个很好的协议被发现之间的测量数据和数值计算，特别是在叶片通过频率（ BP
20、F）和较低的频率。光谱的压力 波动水平计算，这些球迷的测量表明，主导模式发生在 1950 赫兹和 2080 赫兹，分别。这些频率点对应的带通滤波器。在光谱中的其他显性峰的情况下观察到的谐波频率。这是由于自然的叶轮和蜗壳舌部之间相互作用产生小干扰。因此，相应的谐波被隐藏的宽带信号分量。这可能会产生信号的音调主要成分的相互作用是由于叶轮外围靠近蜗壳舌部的存在。对于 va160 比 va150 压力国际旋转机械杂志 波动水平在 BPF 谱高。这个 va150 呈现较小的径向距 离之间的叶轮和蜗舌，以及气动相互作用 旋转和固定的区域是不太重要的。 关于 va160d 风扇的行为，壁面压力 波动被低估的
21、测量。对于这些高压 波动，压力麦克风饱和，和真正的信号是不充分的阅读。这种现象之间的比较说明 数值和实验信号的振幅随时间。然而，实验信号的整体形式是在良好的协议与计算流体力学的预测。时间信号 信号表明一段所有三叶集团每对应于三叶图案的革命 150HZ。另一方面，分裂的离散频率从带通滤波器分离为 150 的倍数。关于非定常压力所产生的 va160e 风扇，由于麦克风现象坐 观察时间。观察到2 个高的显性峰在带通滤波器（ 950 Hz）和第二谐波频率（ 1900 赫兹）。可以看出，压力波动水平在这些频率是 va160e 比 va150 高。最后，对四种光谱的分析结果表明数值和实验数据不匹配。 旋转 时间（ s）频率（ HZ） 旋转 （ a） VA160 时间（ s）频率（ HZ） (b) VA160D 旋转
