扭曲葉輪對多翼離心風機內流及噪聲特性的影響分析*

赫英歧,雋成林,韓 華,李晉毅

(1.江蘇財經職業技術學院 智能工程技術學院,江蘇 淮安 223003;2.淮陰工學院 交通工程學院,江蘇 淮安 223003;3.鄭州宇通重工有限公司,河南 鄭州 450000;4.天津大學 機械工程學院,天津 300350)

0 引 言

離心風機結構簡易,主要由蝸殼及葉輪組成。離心風機主要是通過葉輪高速旋轉,將軸向氣流橫向輸出,具有運行平穩、高流量、低噪聲等特點,被廣泛應用于各工業領域的送風系統中。

隨著離心風機在各工業領域中的應用越來越廣泛,離心風機的內流及噪聲特性也備受企業和科研人員的關注。

朱之墀等人[1]提出了一種離心風機的現代設計方法,推進了業界對于離心風機氣動和噪聲性能的研究;但是由于軟件的局限性,朱之墀等人的研究未能進行得更加深入。

針對離心風機內流特性問題,許多研究人員也展開了一系列研究。黃建德等人[2]使用五孔探針,對風機內部流場進行了測試,探究了風機的內流分布情況,但是黃建德等人的研究未能總結風機內流的規律。DARVISH M[3]針對不同的湍流模型,討論了風機的特性曲線和速度場,但其未對標準k-ε湍流模型進行必要的討論。徐立章等人[4]研究了雙出風口多風道離心風機的內部流場,但他們未對離心風機的仿真模型進行試驗驗證。蔣博彥等人[5]采用不同風機參數,數值模擬了風機的內流場,但是該研究得到的非定常模擬結果超出5%的誤差范圍。

與此同時,馬振來等人[6]研究了由于不穩流及渦流現象,而導致的風機振動和噪聲等問題,該研究對最優工況的說明不夠充分。蔡建程等人[7]采用儀器對離心風機噪聲進行了測量分析,得到的結果表明,與葉輪轉動相關的旋轉頻率分量最大,離散分量在風機噪聲頻譜中較為明顯;但其未對風機氣流性能做出對比,離散頻率處D的噪聲聯系函數值在1/2之上,而寬頻分量處的聯系函數值比較小。

LIU Z L[8]將泵腔內的流體流動簡化為理想流體流動,研究了泵腔內壓力隨半徑的變化規律。KHALIFA A E等人[9]采用實驗的方式,在不同的流量下,研究了泵內部壓力脈動與泵體振動的規律。寧可等人[10]通過算法優化了葉型參數表達式,使得通風機的效率得到了提高,其性能得到了提升。刁雷[11]結合雙圓弧葉片設計理論,對葉輪葉片結構進行了優化設計,并分析了其內流特性細節,使得風機的風量得到了提升;但其未對氣動噪聲做出模擬實驗和分析。

焦碩博等人[12]的研究發現,對于傾斜葉片葉輪,在前盤側葉輪外徑減小時,可減少風機的噪聲。YAMAZAKI S[13]和NIKKHOO M[14]通過對風機的研究,指出了葉輪角度沿軸向方向適當地扭曲,可提高風機氣流均勻性,并有助于提高效率、降低噪聲。但上述兩項研究均未對扭曲程度做出深入探究。

為此,筆者通過研究葉輪扭曲度對多翼離心風機內流特性及噪聲特性的影響,分析對比其氣動性能、速度流線、渦量云圖、氣動噪聲;并通過討論不同工況下風機的流動特征及噪聲特點,以指導低噪離心風機的設計。

1 風機模型及模型驗證

1.1 風機模型

多翼離心風機的實物圖如圖1所示。

圖1 多翼離心風機實物圖

多翼離心風機主要參數如表1所示。

表1 多翼離心風機主要參數

多翼離心風機計算流體動力學(CFD)計算模型如圖2所示。

圖2 多翼離心風機計算模型

多翼離心風機主要由葉輪、蝸殼等組成。

筆者忽略風機的細小零部件,延長風機進出口,避免回流影響計算精度,建立風機的計算模型。

筆者將葉輪葉片進行不同程度的彎曲扭轉,即扭葉片;設置不同扭轉角分別為0°,3°,6°和9°。不同離心風機扭曲度的風機葉輪計算模型如圖3所示。

圖3 不同扭曲度葉輪計算模型

圖3為扭轉角分別為0°、3°、6°和9°的4種不同扭曲度葉輪計算模型。接下來,筆者研究不同扭曲度對多翼離心風機內流及噪聲特性的影響。

1.2 網格劃分及邊界條件

離心風機網格劃分及局部網格細化如圖4所示。

為節約計算成本,筆者采用Star-CCM+對計算模型進行六面體網格劃分,表面重構采用增強質量三角形,執行曲率細化。核心網格優化循環2次,質量閾值設置0.6。流體域設置網格基礎尺寸4 mm,葉輪區域設置基礎尺寸2 mm,葉片執行面細化50%;進行了網格無關性驗證,最終確認網格數量為1.52×106;

以葉輪外徑計算圓周速度與當地聲速之比為6.5×10-2,其馬赫數M<0.3;以進口直徑為特征長度計算雷諾數Re=2.453 1×105,雷諾數遠大于湍流界限Re=4×103。因此,計算模型為不可壓縮湍流模型;

筆者采用基于壓力求解器,控制方程選擇基于節點的Green-Gauss;湍流模型采用Realizablek-ε,壁面方程選擇標準壁面,壓力速度耦合選用SIMPLEC,壓力及其他方程選擇二階迎風格式;設置進出口為壓力進出口,設置表壓為一個標準大氣壓,其余邊界為wall。葉輪區域與流體域采用交界面連接。

此處的定常計算采用多參考坐標系MRF,計算步數為5 000步;非定場流場計算葉輪區域設置Mesh Motion。

筆者根據式(1)計算得到時間步長為7.692 308×10-5s,葉輪旋轉5圈,最大迭代步取10,設置時間步1.5×103步。監測變量出現了明顯的周期性變化,表明風機內流場達到了穩定流動。

時間步長計算公式如下:

(1)

式中:N—最大迭代步數;ω—葉輪的轉速,rad/s;Z—葉片數量。

噪聲計算輸入非定常流場為初始解,計算葉輪旋轉5圈;開啟FW-H模型,設置噪聲源為葉輪及蝸殼壁面,接收點設置參照《GB/T 7725—2004》中的通風器具規定的測試點為1 m。

2 實驗及結果分析

多翼離心風機試驗現場如圖5所示。

圖5 多翼離心風機試驗現場

通常情況下,利用葉輪功率、全壓效率對流體機械進行性能評價,即:

(1)葉輪功率:

P=Tω

(2)

(2)全壓效率:

(3)

式中:T—葉輪扭矩,N·m;ω—葉輪轉速,rad/s;Δp—進出口全壓差,Pa;Q—出口風量,m3/s。

離心風機流量-全壓效率性能曲線試驗和仿真對比結果如圖6所示。

圖6 流量-全壓效率性能曲線試驗和仿真對比

為了驗證模型仿真可靠性,筆者通過試驗和仿真對比驗證了多翼離心風機性能曲線。

試驗臺及相關測量儀表搭建時,按照《GB/T 10178—2006》的要求,筆者將風機安裝在氣流特性測試設備臺,用防風膠布將風機出風口與氣流特性測試臺測試口進行密封,在葉輪邊緣貼上反光紙,用于紅外線接收轉速信號,從而計算風機葉輪功率;當量面積設置為6.17×10-6m2,初始閥門量程取0,即關閉所有閥門。實時數據大氣壓89 kPa,大氣濕度55.3%,風室溫度22.5 ℃,用于標態流量換算。關閉風壓控制模式,開啟輔助風機,啟動被測風機,開啟風量控制模式,開啟不同閥門量程,選取不同風量量程測試點,待各項數據穩定后,選擇接收數據。

由結果可知,試驗葉輪功率及全壓效率值與仿真誤差在5%以內,說明數值模擬具有可行性。

3 仿真及結果分析

3.1 內流特性結果分析

不同葉輪扭曲度風機性能參數如表2所示。

表2 不同葉輪扭曲度性能參數

當葉輪的扭曲度為0°時,即直葉輪,全壓效率及出口風量明顯高于扭曲葉輪。不同葉輪扭曲度葉輪功率相差不大,這說明直葉輪風量增大總要得益于全壓效率的提高。扭曲葉輪在全壓效率和出口風量上差值不大,這說明葉輪發生扭曲后,扭曲度對其性能的影響不明顯。

風機旋轉5圈后,不同扭曲度葉輪離心風機在截面Z=0.03 m處的瞬態速度-流線圖,如圖7所示。

圖7 不同葉輪扭曲度速度-流線圖

由圖7可以發現:整體流場規律相似,均由風機進口貫穿葉片后流出,不同扭度葉輪葉尖最大風速均在65 m/s左右;

當葉輪扭曲度為3°和6°時,風機出口處漩渦得以減少,出口處蝸殼附近葉片后緣渦核渦流脫落,導致下游葉片產生脫落渦,被偏心渦吸引,使得更多的氣流二次貫穿葉輪,從而出口回流量越小,更多流量從風機出口流出;

當葉輪扭曲度為9°時,葉輪偏心渦大量消散,形成大彎繞流,氣流在右側密集,從而導致中部氣流減少,右側蝸殼密集,出口風量略有減少,全壓效率下降。

筆者選取將一定扭曲度葉輪葉片,用于改善風機效率、風量的設計,為風機的設計提供幫助。

氣流輻射噪聲是由于渦流破裂、糅合產生。渦聲理論將渦量大小和氣流輻射噪聲相聯系,掌握流場中的渦量大小、變化及運動的情況,可了解其氣流輻射噪聲情況。

渦量最大的位置在偏心渦附近,其次是風機出口左側蝸舌處及葉尖處。這是因為脫落的后緣渦與蝸殼、葉背相互干涉的作用下,葉輪葉片附面層內壓力梯度加大,氣流的旋渦不斷加劇。

隨著葉輪扭曲度的增加,葉輪偏心渦逐漸變弱,甚至消失,葉尖渦流同樣明顯減弱,渦流強度的減小導致渦流范圍流速的降低,從而渦流破裂、糅合程度減小,噪聲減小,漩渦的減少導致風機渦流噪聲。

斯托克斯公式中反映了渦通量速度環量的關系,即:

(4)

式中:Ω—渦通量,s-1;S—小圓的面積,m2;v—氣流速度,m/s;L—小圓的周界,m。

忽略高階的小量,筆者以定義平均切速度,則流體微團繞該點旋轉的平均角速度是點的渦量大小的一半,方向與微團瞬時轉動的軸線在同一直線上[15]。

渦量與氣流角速度關系式如下:

(5)

式中:v—氣流速度,m/s;ω—氣流角速度,rad/s;a—渦流半徑,m。

當葉輪扭曲度為6°時的渦量云圖如圖8所示。

圖8中,A處為回流渦A,B處為回流渦B;多翼離心風機[16，17]的渦量特征是在相鄰兩片葉片的壓力面與吸力面形成回流渦,靠近出口側葉片渦量更大,在葉尖及葉片尾緣形成較大渦量。

不同扭曲度下,葉輪風機回流渦渦心處的渦量如表3所示。

表3 不同葉輪扭曲度回流渦渦量

由表3可知,當葉輪扭曲度為6°時,回流渦A和回流渦B渦量較少,因而其出口風量及全壓效率最高。

3.2 噪聲特性結果分析

當多翼離心風機葉輪以恒定角速度旋轉時,葉輪葉片沖擊氣流質點,葉片每次經過質點時沖擊會帶來一次壓力脈沖,從而使得葉輪受到的連續沖擊不斷,形成壓力脈沖,氣流則產生不穩定性,從而產生輻射噪聲。

旋轉噪聲反映的是離散頻率噪聲,其計算公式如下式:

(6)

式中:ω—葉輪的轉速,r/min;i—諧波數;N—葉片的數量。

不同葉輪扭曲度下,風機的聲壓頻譜圖如圖9所示。

圖9 不同葉輪扭曲度聲壓頻譜圖

由式(6)計算得到風機的基頻為1 300 Hz。又由圖9可知:在0°、3°、6°及9°扭曲度下,在決定風機噪聲的基頻1 300 Hz處的噪聲隨著扭曲度的增大而減小,其噪聲值分別為53.95 dB、53.89 dB、52.80 dB和45.60 dB。

基頻噪聲決定了風機氣動噪聲的峰值,可見扭曲葉輪在基頻處噪聲抑制效果甚好。在0°～9°扭曲范圍內,扭曲度越高其基頻噪聲越低,但在尋求低噪的同時,還應滿足氣動性能的要求。

在倍頻2 600 Hz、3 900 Hz、5 200 Hz及6 500 Hz處,扭曲葉輪風機均取得了良好降噪效果。這說明葉輪扭曲度的增加可大幅減少離散噪聲的形成,且在基頻處更為明顯。

在倍頻處,各扭曲度相對于直葉輪均體現出了良好的降噪效果。當扭曲度為9°時,在倍頻處的噪聲較扭曲度為3°和6°時更高。這說明扭曲度過大會導致倍頻處噪聲升高。

不同葉輪扭曲度下,風機1/3倍頻程頻譜圖如圖10所示。

圖10 不同葉輪扭曲度1/3倍頻程頻譜圖

由圖10可知:在基頻和倍頻處,扭曲葉輪相對于扭曲度0°均在A聲壓級展現出良好的降噪效果。扭曲度為0°、3°、6°及9°時,噪聲最大值分別為67.00 dB、63.78 dB、62.80 dB和57.98 dB;

相對于扭曲度0°的情況,扭曲度為3°、6°及9°時,其噪聲分別降低了3.22 dB、4.2 dB、9.02 dB;

在低扭曲度3°、6°下,在高頻段噪聲抑制效果較好;而在高扭曲度下,在低頻段噪聲抑制效果較好。

綜上所述,該型多翼離心風機的低噪化設計準則可參考調整風機技術參數葉輪扭曲度,增大葉輪扭曲度可降低整體聲壓級;降低高頻段噪聲可采用葉輪扭曲度3°、6°;要在低頻段獲得較好噪聲抑制效果,則采用葉輪扭曲度9°。

4 結束語

筆者通過數值模擬的方式,模擬了不同扭曲度下多翼離心風機的非定常內流場,分析了扭曲葉輪對氣動性能及內流特性的影響;并結合FW-H方程,計算了不同扭曲度多翼離心風機的離散噪聲。

研究結論如下:

(1)扭曲葉輪會導致風機氣動性能有所下降,但同時其渦流會減少,其內流特性會出現去偏心渦現象;

(2)扭曲葉輪可有效降低風機的噪聲,高扭曲度葉輪在風機低頻段的降噪效果較好,低扭曲度葉輪則在風機高頻段的降噪效果更好。

在后續的研究中,筆者將采用進一步增加葉輪扭曲度對比組,尋求更優的葉輪扭曲度;同時,采用仿生葉輪葉片來進一步降低噪聲。