带尾缘吹气的叶轮机械内部流动和气动噪声问题的研究

摘要

动静干扰和尾迹是叶轮机械主要的非稳定流场形式，采用尾缘吹气能够降低动静干涉噪声、降低下游叶片的疲劳损失和降低机组总的气动噪声等，研究和掌握其流动特性和流动控制方式，对提高机组的整体性能意义重大。 实验测量和数值模拟是研究叶轮机械内部流场的两种基本方法，随着科学技术的发展，各类先进的测量技术的不断发展，如热线风速仪和粒子图像测速仪，为实验研究提供了新的测量方式；同时计算机性能的飞速提高和计算流体力学技术的日趋完善，基于求解三维粘性Navier-Stokes方程的数值模拟方法为叶轮机械内部流场的研究提供了强大的手段。本文正是通过实验测量和数值模拟相结合的方法来研究尾缘吹气对低速风机气动噪声的影响。 本文主要研究内容和研究成果如下： 1、根据研究的要求，设计加工了实验用静子模型，并设计了静子尾缘吹气的装置，保证了静子尾缘吹气的连续性和均匀性，使静子尾缘在不同吹气条件下，能达到所需要的尾迹特征，即纯尾迹、弱尾迹、无动量亏损尾迹、喷射四种尾迹特征。 2、根据国家通风机空气动力学性能测试标准，搭建了性能测试试验台，得到了在静子尾缘不同吹气条件下模型风机系统的空气动力学性能曲线，性能结果表明，静子尾缘吹气在吹气流量为模型风机设计流量的1.8％时达到无动量亏损尾迹时，动叶的气动性能变化不大，说明静子尾缘吹气对动叶的气动性能基本没有影响。 3、使用热线风速仪和PIV测量了静子尾迹区的详细流动特征，得到了纯尾迹、弱尾迹、无动量亏损尾迹、喷射四种尾迹的流动特征。通过轴向速度分布、湍流长度尺度分布、尾迹特征长度等重要的尾迹参数描述了静子不同尾迹的流动特征。结果表明通过静子尾缘吹气，可以填平速度亏损区，获得无动量亏损尾迹。无动量亏损尾迹可以消除静子尾缘的涡脱落频率以及其谐波值，吹气改变了静子的涡脱落特性，吹气后可以减小静子的尾迹宽度。同时，使用了数值模拟对尾迹区的流动进行了进一步的研究，通过不同湍流模型计算结果的对比，发现SST湍流模型适合模拟尾迹区的流动。通过和实验结果对比，CFD模拟结果和实验结果吻合较好，并从数值计算中提取了速度、压力和湍动能等参数继续描述尾迹流动。 4、使用热线风速仪和PIV测量了静子尾迹与动叶相互干涉的流场，得到了静子尾迹在下游动叶排中的传播规律。热线测量结果表明，静子尾缘吹气不但消除了静子尾缘的脱落涡，而且还减弱了下游动叶的周期性影响。通过静子与动叶的全流场数值模拟，详细给出了静子风机系统内的压力分布、涡量和湍动能等参数，对比了纯尾迹和无动量亏损尾迹状态时不同的分布规律。数值计算和PIV测量结果都揭示了静子尾迹在动叶流道内的传播规律，通过静子尾缘吹气，使动叶的入口流场均匀，速度波动较小。 5、利用声级计和频谱分析仪测量了静子尾迹与动叶相互干涉的总声压级、噪声频谱，得到了模型风机系统噪声辐射的特性。对模型风机系统噪声预测方法采用CFD+FW-H混合方法，使用尾缘涡脱落噪声模型和Lowson关于离散频率噪声的点力模型预测了纯尾迹和无动量亏损尾迹与动叶相互作用的宽频噪声和离散噪声，实验测量和噪声预测结果均表明静子尾缘吹气能够降低系统的噪声，尤其离散频率噪声降低较为明显，最大降低幅度为3.65dB，而对宽频噪声的影响较小。 6、提出和尝试了尾缘脉动吹气，使用数值模拟进行了初步的研究。并使用噪声预测模型预测了脉动吹气时脉动尾迹与动叶相互作用的噪声。结果表明，脉动吹气可以降低高阶处离散频率噪声值，从而降低离散频率噪声。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：主要符号说明

声明

第一章绪论

1.1研究背景和意义

1.2尾缘吹气技术的研究进展

1.2.1尾迹特性研究

1.2.2尾迹控制技术用于降噪的研究

1.2.3尾迹控制技术其他应用研究

1.3叶轮机械气动噪声预测方法

1.4本文研究的主要内容

第二章实验测试技术

2.1研究对象以及测量装置介绍

2.1.1静子尾缘流场测量装置

2.1.2模型风机系统流场测量装置

2.2流场测量系统介绍

2.2.1热线风速仪测量系统

2.2.2 PIV测量系统

2.3声学测量

2.3.1测试环境介绍

2.3.2噪声测量仪器

2.3.3声学参数测量

2.4本章小结

第三章静子尾缘流场分析

3.1尾迹流场的实验研究

3.1.1流动显示

3.1.2平均速度分布

3.1.3尾迹特征长度

3.1.4速度脉动谱分析

3.1.5流动相似性

3.1.6尾迹区速度矢量和涡量分布

3.2尾迹流场的数值模拟研究

3.2.1计算方法

3.2.2控制方程

3.2.3湍流模型

3.2.4计算过程以及边界条件

3.2.5计算网格

3.2.6湍流模型的确定

3.2.7数值模拟结果的验证

3.2.8尾迹区流动分析

3.3本章小结

第四章尾缘吹气在动静干扰中的应用

4.1尾迹传输

4.2热线测量结果

4.3尾缘吹气后静子与动叶相互干扰流场的PIV测量结果

4.3.1 PIV测量位置

4.3.2静子尾缘纯尾迹与动叶相互作用的流场

4.3.3静子尾缘吹气时与动叶相互作用的流场

4.3.4静子尾缘有无吹气时的对比

4.4尾缘吹气后静子与动叶相互干扰流场的数值研究

4.4.1湍流模型以及计算网格

4.4.2计算过程以及边界条件

4.4.3并行计算技术及分布式网络并行硬件平台

4.4.4数值模拟结果和实验结果对比

4.4.5涡量以及为湍动能分布

4.4.6压力分布

4.5本章小结

第五章模型风机系统的声源分析与预测

5.1噪声源分析

5.1.1声压级测量

5.1.2声指向性测量

5.1.3频谱分析

5.1.4声源分析

5.2模型风机系统噪声预测

5.2.1主要噪声源预测模型

5.2.2噪声预测结果

5.3本章小结

第六章结论与展望

6.1本文研究工作总结

6.2本文主要创新

6.3今后工作展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文以及专利