吹氣抑制離心風機旋轉失速的動力學特征(2)

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1．2控制方程及邊界條件控制方程包括連續性方程、非穩態雷諾時均Navier-‰kes方程，以及補充的適用于旋轉流動、流動分離、二次流等問題的Realizable知驥型。石家莊風機進口為壓力進口邊界條件，設定進口總壓，氣流方向角為軸向進氣；石家莊風機出口為壓力出口邊界條件，設定出口靜壓，定常計算給定具體靜壓值，非定常計算加上節流閥模型【11，采用UDF函數實現每一時間步的迭代。非定常計算的物理時間步長為1．725×1曠s。葉輪選用旋轉坐標系，轉速為1 450 r／Inin，采用滑移網格模型耦合旋轉和靜止區域。壁面附近采用加強壁面函數法，對流項和擴散項分別采用二階迎風差分和中心差分格式進行離散。
1．3氣動聲場計算模型寬帶噪聲源模型(broadb鋤d noise s伽睇esmodel)，包括P砌ldll姍的噪聲源模型和邊界層噪聲源模型等。ProudII啪運用Ligl】脅in的聲學理論，分析了各向同性湍流產生的噪聲，并采用統計方法，推導出適用于每個體單元的聲功率表達式，其針對的噪聲源屬于四極子聲源。四極子噪聲是由于湍流邊界層，尾跡區的湍流脈動，分離流動等流體內部的壓力脈動產生的。邊界層噪聲源模型基于Cude的積分方程實現，方程對剛性表面上壓力脈動產生的輻射聲壓進行積分，進而計算出低雷諾數情況下，表面偶極子聲源輻射出的噪聲聲功率，其針對的噪聲源為偶極子聲源。偶極子噪聲是由于葉片及蝸殼固壁表面的壓力脈動所產生的。葉輪內的主要氣動噪聲源是由于流動分離、葉片及蝸殼固壁表面的壓力脈動及失速團的非定常演化過程引起的。因此，采用寬帶噪聲源模型數值模擬石家莊風機內部的氣動噪聲源分布。
2數值計算結果及分析
2．1 幾點說明1)進行了網格無關性計算，且離心石家莊風機性能曲線和失速頻率分別與實驗結果進行了對比，驗證了數值模擬和失速模型的正確性。本文在其基礎上在靠近蝸舌的3個流道內設置了3個噴嘴截面，不影響計算結果的正確性。2)關于旋轉失速先兆發生前的數值模擬在文獻【13】中已進行詳細介紹，本文主要研究在失速先兆發生前某一時刻在葉片進口處，3個噴嘴向葉輪內部吹氣(吹氣速度為110 n1／s)后，不同閥門開度下葉輪內的流體動力學特征，及石家莊風機的擴穩效果。3)在吹氣抑制石家莊風機失速的研究過程中考慮了吹氣速度對失速抑制效果的影響。當吹氣速度過小，抑制失速無明顯效果。當吹氣速度大于70m／S時，吹氣能夠推遲失速的發生；隨著吹氣速度的增大，石家莊風機安全裕度增大，但當吹氣速度大于110IIl／s時，安全裕度增大不明顯。限于文章篇幅，文中僅對吹氣速度為110 111／s下石家莊風機內部的流體動力學特征和噪聲特性進行分析，研究吹氣抑制石家莊風機失速的效果。4)葉輪內95％以上區域相對速度小于60m／s，在噴嘴附近速度較高。為了能更清楚地觀察及對比葉輪內相對速度矢量分布，本文后面出現的相對速度矢量圖中相對速度值的上限均設定為60m／s。原始石家莊風機在閥門開度為0．72時發生旋轉失速現象，流量為4．157 m3／S。在失速先兆發生前，在葉片進口處向流道內吹氣，下面分別分析閥門開度為O．69、0．63、O．54和0．48時葉輪流道內不同軸向截面億=3 l、壓38．5和Z暫6分別靠近葉輪前盤、中間和后盤處的軸向截面)的相對速度矢量圖、靜壓等值線分布和聲功率級分布。
2．2葉輪內相對速度矢量分布圖2為閥門開度分別為‰=0．69和七l=0．63時葉輪內不同軸向截面的相對速度矢量分布圖。由圖2(a)和圖2(d)可知，在Z蘭31截面，葉輪內部流場在周向上分布較均勻，沿順時針距離蝸舌第3_4個流道內分離渦面積較大。噴嘴附近的流道內靠近吸力面側出現了流速高于10n1／s的回流，主要是由于石家莊風機出口靜壓較高而噴嘴高速氣流強制吹散壓力側分離渦引起的。由圖2(c)和圖2(f)可知，分離渦已經擴展到葉輪后盤附近，且分離渦的面積隨著閥門開度的降低而增大。Z斗6截面上分離渦位于靠近蝸舌的幾個流道內，且不沿周向旋轉，說明葉輪內尚未發展形成周向旋轉的失速團。因此，在這2個閥門開度下，由于噴嘴吹氣，離心石家莊風機未進入旋轉失速狀態。阿