【摘要】： 動(dòng)靜干擾和尾跡是葉輪機(jī)械主要的非穩(wěn)定流場(chǎng)形式,采用尾緣吹氣能夠降低動(dòng)靜干涉噪聲、降低下游葉片的疲勞損失和降低機(jī)組總的氣動(dòng)噪聲等,研究和掌握其流動(dòng)特性和流動(dòng)控制方式,對(duì)提高機(jī)組的整體性能意義重大。 實(shí)驗(yàn)測(cè)量和數(shù)值模擬是研究葉輪機(jī)械內(nèi)部流場(chǎng)的兩種基本方法,隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,各類先進(jìn)的測(cè)量技術(shù)的不斷發(fā)展,如熱線風(fēng)速儀和粒子圖像測(cè)速儀,為實(shí)驗(yàn)研究提供了新的測(cè)量方式;同時(shí)計(jì)算機(jī)性能的飛速提高和計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)的日趨完善,基于求解三維粘性Navier-Stokes方程的數(shù)值模擬方法為葉輪機(jī)械內(nèi)部流場(chǎng)的研究提供了強(qiáng)大的手段。本文正是通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法來研究尾緣吹氣對(duì)低速風(fēng)機(jī)氣動(dòng)噪聲的影響。 本文主要研究?jī)?nèi)容和研究成果如下: 1、根據(jù)研究的要求,設(shè)計(jì)加工了實(shí)驗(yàn)用靜子模型,并設(shè)計(jì)了靜子尾緣吹氣的裝置,保證了靜子尾緣吹氣的連續(xù)性和均勻性,使靜子尾緣在不同吹氣條件下,能達(dá)到所需要的尾跡特征,即純尾跡、弱尾跡、無動(dòng)量虧損尾跡、噴射四種尾跡特征。 2、根據(jù)國(guó)家通風(fēng)機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn),搭建了性能測(cè)試試驗(yàn)臺(tái),得到了在靜子尾緣不同吹氣條件下模型風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的空氣動(dòng)力學(xué)性能曲線,性能結(jié)果表明,靜子尾緣吹氣在吹氣流量為模型風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)流量的1.8%時(shí)達(dá)到無動(dòng)量虧損尾跡時(shí),動(dòng)葉的氣動(dòng)性能變化不大,說明靜子尾緣吹氣對(duì)動(dòng)葉的氣動(dòng)性能基本沒有影響。 3、使用熱線風(fēng)速儀和PIV測(cè)量了靜子尾跡區(qū)的詳細(xì)流動(dòng)特征,得到了純尾跡、弱尾跡、無動(dòng)量虧損尾跡、噴射四種尾跡的流動(dòng)特征。通過軸向速度分布、湍流長(zhǎng)度尺度分布、尾跡特征長(zhǎng)度等重要的尾跡參數(shù)描述了靜子不同尾跡的流動(dòng)特征。結(jié)果表明通過靜子尾緣吹氣,可以填平速度虧損區(qū),獲得無動(dòng)量虧損尾跡。無動(dòng)量虧損尾跡可以消除靜子尾緣的渦脫落頻率以及其諧波值,吹氣改變了靜子的渦脫落特性,吹氣后可以減小靜子的尾跡寬度。同時(shí),使用了數(shù)值模擬對(duì)尾跡區(qū)的流動(dòng)進(jìn)行了進(jìn)一步的研究,通過不同湍流模型計(jì)算結(jié)果的對(duì)比,發(fā)現(xiàn)SST湍流模型適合模擬尾跡區(qū)的流動(dòng)。通過和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比,CFD模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好,并從數(shù)值計(jì)算中提取了速度、壓力和湍動(dòng)能等參數(shù)繼續(xù)描述尾跡流動(dòng)。 4、使用熱線風(fēng)速儀和PIV測(cè)量了靜子尾跡與動(dòng)葉相互干涉的流場(chǎng),得到了靜子尾跡在下游動(dòng)葉排中的傳播規(guī)律。熱線測(cè)量結(jié)果表明,靜子尾緣吹氣不但消除了靜子尾緣的脫落渦,而且還減弱了下游動(dòng)葉的周期性影響。通過靜子與動(dòng)葉的全流場(chǎng)數(shù)值模擬,詳細(xì)給出了靜子風(fēng)機(jī)系統(tǒng)內(nèi)的壓力分布、渦量和湍動(dòng)能等參數(shù),對(duì)比了純尾跡和無動(dòng)量虧損尾跡狀態(tài)時(shí)不同的分布規(guī)律。數(shù)值計(jì)算和PIV測(cè)量結(jié)果都揭示了靜子尾跡在動(dòng)葉流道內(nèi)的傳播規(guī)律,通過靜子尾緣吹氣,使動(dòng)葉的入口流場(chǎng)均勻,速度波動(dòng)較小。 5、利用聲級(jí)計(jì)和頻譜分析儀測(cè)量了靜子尾跡與動(dòng)葉相互干涉的總聲壓級(jí)、噪聲頻譜,得到了模型風(fēng)機(jī)系統(tǒng)噪聲輻射的特性。對(duì)模型風(fēng)機(jī)系統(tǒng)噪聲預(yù)測(cè)方法采用CFD+FW-H混合方法,使用尾緣渦脫落噪聲模型和Lowson關(guān)于離散頻率噪聲的點(diǎn)力模型預(yù)測(cè)了純尾跡和無動(dòng)量虧損尾跡與動(dòng)葉相互作用的寬頻噪聲和離散噪聲,實(shí)驗(yàn)測(cè)量和噪聲預(yù)測(cè)結(jié)果均表明靜子尾緣吹氣能夠降低系統(tǒng)的噪聲,尤其離散頻率噪聲降低較為明顯,最大降低幅度為3.65dB,而對(duì)寬頻噪聲的影響較小。 6、提出和嘗試了尾緣脈動(dòng)吹氣,使用數(shù)值模擬進(jìn)行了初步的研究。并使用噪聲預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)了脈動(dòng)吹氣時(shí)脈動(dòng)尾跡與動(dòng)葉相互作用的噪聲。結(jié)果表明,脈動(dòng)吹氣可以降低高階處離散頻率噪聲值,從而降低離散頻率噪聲。
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2009
【分類號(hào)】：TH43
【圖文】：

根據(jù)尾跡動(dòng)量虧損厚度計(jì)算公式（1-1），將不同噴氣情況下尾跡區(qū)流動(dòng)分為純尾跡（ θ / d> 0）、弱尾跡（ θ / d> 0）、無動(dòng)量虧損尾跡（ θ / d≈ 0）和射流（ θ / d< 0）。在實(shí)際過程中，使用熱線測(cè)量尾跡區(qū)的平均速度分布，然后使用公式（1-1）進(jìn)行判斷。葉片尾跡一般分為葉柵尾跡和轉(zhuǎn)子尾跡，分別表示靜止葉片和旋轉(zhuǎn)葉片的尾跡[26]。本文研究的尾跡屬于靜止葉片尾跡，圖 1.1 給出了靜子尾跡模型的示意圖。靜子尾跡分為三個(gè)區(qū)域：（1）初始段，這段區(qū)域緊靠靜子的尾緣，靜子尾緣的厚度影響占支配地位，該區(qū)域是靜子邊界層分離的區(qū)域，主流與尾緣區(qū)域的氣流相互作用，流動(dòng)非常復(fù)雜，具有較嚴(yán)重的非定常性，且存在大尺度的湍流度。（2）摻混段，這段區(qū)域內(nèi)，靜子尾緣的厚度影響逐漸減弱，從靜子尾緣脫落的旋渦隨流體對(duì)流，同時(shí)由于粘性和湍流作用而擴(kuò)散，且對(duì)流的影響是主要的。從葉輪機(jī)的設(shè)計(jì)、損失估計(jì)以及噪聲產(chǎn)生等角度看，這個(gè)區(qū)域的研究是很重要的。在葉輪機(jī)械中，通過葉排之間的軸向距離為一個(gè)弦長(zhǎng)左右，所以這個(gè)區(qū)域的尾跡是實(shí)際起作用的尾跡區(qū)。（3）發(fā)展段，此區(qū)域內(nèi)，尾跡區(qū)的速度虧損逐漸恢復(fù)，靜子的厚度影響逐漸消失。

尾跡的流動(dòng)特征示意圖，由于噴口與主流之間存在空隙，吹出的氣流與周圍主流流體間形成速度不連續(xù)的間斷面，由湍流力學(xué)知，速度間斷面是不穩(wěn)定的，必定產(chǎn)生波動(dòng)，并發(fā)展成旋渦，在靠近尾緣處，在噴口的兩邊存在較小的旋渦。由于噴射氣流的速度大于主流的速度，這樣速度大的射流就將主流中速度小的流體卷吸到射流中，隨著流動(dòng)的發(fā)展，被卷吸并與射流一起運(yùn)動(dòng)的流體不斷增多，射流邊界逐漸向兩側(cè)擴(kuò)展，流量沿程增大。由于主流與射出氣流的摻混，相應(yīng)產(chǎn)生了對(duì)射出氣流的阻力，使射出氣流的流速降低，難以保持原來的初始流速，吹出氣流的推力剛好抵消尾跡區(qū)氣流的阻力，達(dá)到無動(dòng)量虧損尾跡。無動(dòng)量虧損由其形成發(fā)展特征，也分成三個(gè)區(qū)域：（1）初始段，尾緣吹出的氣流與主流相互作用，致使兩股氣流中間的連線上存在速度為零的點(diǎn)，稱為自由滯點(diǎn)，從噴射口至自由滯點(diǎn)之間的這段區(qū)域成為無動(dòng)量虧損尾跡的初始段，此段區(qū)域內(nèi)流動(dòng)復(fù)雜，存在較嚴(yán)重的速度不連續(xù)的間斷面。（2）摻混段，吹出的氣流和主流氣流在此區(qū)域內(nèi)摻混，摻混段內(nèi)基本形成無動(dòng)量虧損尾跡，吹出氣流與主流氣流的摻混自邊緣逐漸向中心發(fā)展，直至發(fā)展到射流中心。（3）發(fā)展段，尾跡區(qū)的速度虧損完全被吹出的氣流填平，自吹出氣流與主流完全摻混后，尾跡區(qū)的全斷面上速度均勻，均呈湍流狀態(tài)，一起向下游發(fā)展。

圖 1.4 動(dòng)靜干涉機(jī)理分析Fig. 1.4 Mechanism analysis of stator-rotor interaction尾跡控制或者尾緣吹氣，已經(jīng)被證實(shí)是降低動(dòng)靜干涉噪聲的有效方法。通過粘性邊界層影響而形成的尾跡，從而降低動(dòng)靜之間的相互干涉�？梢酝ㄟ^邊方式降低邊界層厚度或者尾緣吹氣方式增加尾跡區(qū)的動(dòng)量來實(shí)現(xiàn)。圖 1.5 給出氣示意圖，通過尾緣吹氣能使尾跡區(qū)速度和壓力提高。使作用在動(dòng)葉上的非力減小，達(dá)到降低動(dòng)靜干涉噪聲的目的。

【引證文獻(xiàn)】

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1 陳坤;三種

本文編號(hào)：2800369