離心風機旋轉失速演化過程的氣動噪聲特性(2)

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1.4 氣動聲場計算模型寬帶噪聲源模型，包括 Proudman 的噪聲源模型和邊界層噪聲源模型等。Proudman 運用 Lighthill 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 Curle 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。
本文主要研究離心石家莊風機廠旋轉失速演化過程中的氣動噪聲特性，該過程中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廠內部的氣動噪聲源分布。
2 計算結果及分析
2.1 幾點說明1 ）數值失速模型的正確性和頻域分析。對葉輪中某點采集到的氣流參數進行快速傅立葉變換和功率譜分析，如圖 2 所示。圖 2(a) 為失速前該點處的頻率信息，由圖可知，僅存在一個 290 Hz 的離散頻率，這是由于葉輪轉速為 1 450 rpm ，葉片數為12 ，故 290 Hz 為葉片通過頻率的基頻值。圖 2(c)為失速團完全產生后的頻域信息，圖中存在頻率分別為 14.15 、 28.31 和 290 Hz 的 3 個孤立頻率，其中14.15 Hz 為失速頻率，而 28.31 Hz 為失速頻率的 2階倍頻。 此時 290 Hz 的葉片通過頻率對應的功率譜密度相對失速頻率非常小，說明進入了完全失速階段。圖 2(b) 為失速先兆發生到失速團完全發展這一過渡過程的功率譜，由圖可知，此時的能量主要集中于一個低頻帶，反映了失速過程中低頻頻率成分之間的混疊現象。
在相同工況下，離心石家莊風機廠旋轉失速試驗得到的失速頻率為 14.4 Hz ，說明計算結果與實驗基本吻合，驗證了數值模擬結果的正確性，另外也定性的反映了旋轉失速前后石家莊風機廠內部的頻域特性。2 ）對離心石家莊風機廠旋轉失速現象演化過程中非定常流場的準確計算是實現氣動噪聲特性預估的基礎，關于離心石家莊風機廠內部流場從設計工況演化到旋轉失速狀態的數值模擬研究。3 ）為了清晰觀察葉輪內部的旋轉失速現象，文中葉輪內部為相對速度矢量場，因此，截面僅限于葉輪區域； 而聲功率級云圖為整個石家莊風機廠截面 ( 包括葉輪和蝸殼區域 ) 。 相對速度矢量圖中葉輪的位置與聲功率級云圖中葉輪與蝸舌的相對位置相同。4 ）為了更清晰地觀察旋轉失速演化過程中聲功率級的變化，文中各圖聲功率級顯示范圍的最大值和最小值分別相同。5 ）圖 3 為閥門開度分別為 0.9 和 0.89 時石家莊風機廠流量隨時間的變化曲線。由圖可知，當閥門開度k 1 =0.9 時，離心石家莊風機廠可以沿著節流線逐步逼近一個穩定收斂解，并沒有發生旋轉失速。當減小閥門開度 k 1 =0.89 時，隨著時間的增加，進口流量波動慢慢增大，逐漸進入旋轉失速狀態，經歷了一個過渡過程之后，失速狀態由先兆逐步發展為穩定地失速團，保持在新的周期性穩定工況。即在 k 1 =0.89 閥門開度下，石家莊風機廠內部發生了旋轉失速現象。因此，選取 k 1 =0.89 這一工況研究旋轉失速非定常演化過程中的噪聲特性。離心石家莊風機廠的噪聲主要來源于氣動噪聲、機械噪聲和電磁噪聲 3 部分，其中氣動噪聲一般占主要部分，且最難治理。氣動噪聲包括旋轉噪聲和旋渦噪聲，這兩種噪聲都主要是由葉片后緣渦脫落導致葉片周圍氣流的不平衡誘發的 [20] 。分別選取設計流量工況和流量減小閥門開度為 k 1 =0.89 時， 失速先兆產生過程、失速先兆發展為失速團的三維演化過程及失速團沿周向傳播等 4 個過程進行分析，深入研究旋轉失速非穩定流動現象對氣動噪聲的影響規律。