內(nèi)周葉片角對(duì)貫流風(fēng)機(jī)性能的影響

內(nèi)周葉片角對(duì)貫流風(fēng)機(jī)性能的影響

0風(fēng)機(jī)綜合性設(shè)計(jì)中的影響因素貫流閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，噪聲低，氣壓穩(wěn)定。這是國(guó)內(nèi)通用噴霧器的一個(gè)重要部件。貫流風(fēng)機(jī)由多葉葉輪和蝸殼構(gòu)成,內(nèi)周葉片角是一個(gè)用來(lái)表征葉輪的結(jié)構(gòu)參數(shù),同時(shí)也是貫流風(fēng)機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)中需要考慮的重要參數(shù),其變化對(duì)風(fēng)機(jī)綜合性能具有直接影響。目前,業(yè)內(nèi)主要通過試驗(yàn)的方法對(duì)其影響進(jìn)行評(píng)估,而這必將使得產(chǎn)品的研發(fā)費(fèi)用增加,周期延長(zhǎng),很不經(jīng)濟(jì)。本文利用商用CFD軟件FLUENT6.2和自行研發(fā)的“空調(diào)用貫流風(fēng)機(jī)參數(shù)化建模軟件”,對(duì)不同內(nèi)周葉片角情況下的貫流風(fēng)機(jī)進(jìn)行實(shí)體建模和網(wǎng)格劃分,并對(duì)內(nèi)流場(chǎng)和氣動(dòng)聲場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬,研究?jī)?nèi)周葉片角變化對(duì)貫流風(fēng)機(jī)流量和噪聲的影響,優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù),提高風(fēng)機(jī)性能。1周葉片角與葉片轉(zhuǎn)速貫流風(fēng)機(jī)葉輪結(jié)構(gòu)如圖1所示。具體參數(shù):葉輪外徑為97mm,直徑比為0.811,外周葉片角為26°,內(nèi)周葉片角為90°,葉片數(shù)為35,每個(gè)葉片不但沿圓周變角分布,而且還沿軸向扭曲分布,在軸向上每毫米葉片沿圓周方向的扭曲角度為0.08°/mm,葉輪轉(zhuǎn)速為1000r/min。2計(jì)算方法2.1網(wǎng)格劃分及速度耦合采用大渦模擬輸運(yùn)方程(LES)計(jì)算貫流風(fēng)機(jī)的非穩(wěn)態(tài)流場(chǎng),獲得可用于后續(xù)氣動(dòng)聲學(xué)計(jì)算中需要的壓力脈動(dòng)。考慮到流道形狀的復(fù)雜性,全部選用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格。葉輪區(qū)域設(shè)為旋轉(zhuǎn)區(qū)域,動(dòng)靜區(qū)域間采用滑移網(wǎng)格。壓力—速度耦合采用PISO算法,壓力項(xiàng)離散格式采用PRESTO!,其余項(xiàng)均采用二階迎風(fēng)格式。非穩(wěn)態(tài)計(jì)算的時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)為0.0002s,葉輪旋轉(zhuǎn)8～10圈后,流動(dòng)達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)。邊界條件采用壓力進(jìn)口和壓力出口,計(jì)算模型見圖2。2.2風(fēng)機(jī)葉片fw-h模型通過大渦模擬輸運(yùn)方程(LES)計(jì)算獲得非穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)后,采用基于Lighthill聲學(xué)類比理論的FW-H方程來(lái)模擬氣動(dòng)噪聲的產(chǎn)生和傳播,并通過快速Fourier變換(FFT)計(jì)算獲得各種聲壓頻譜。葉片通過的頻率f=nz60?If=nz60?Ι,其中n為葉輪的轉(zhuǎn)速,z為葉片數(shù),I為諧波序號(hào)(I=1時(shí)為基頻)。根據(jù)貫流風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特征,可以計(jì)算得到:葉片通過的基頻為583Hz,波長(zhǎng)為0.5883m。由于波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于風(fēng)機(jī)的特征尺寸,因此在聲學(xué)模型中可以忽略風(fēng)機(jī)外殼和葉片之間對(duì)聲音的反射、衍射、散射作用。同時(shí)由于貫流風(fēng)機(jī)的流動(dòng)馬赫數(shù)(Ma=0.0146)很小,因此FW-H方程中的四極子聲源也可以被忽略。圖3為渦度分布圖,由圖看出:在葉輪進(jìn)、出口,以及蝸舌處存在較大渦度。這表明旋轉(zhuǎn)葉輪與靜止殼體之間相互干涉及對(duì)氣流周期性加速而產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)是小馬赫數(shù)貫流風(fēng)機(jī)噪聲的重要來(lái)源,因此選取葉輪和蝸舌作為聲源曲面來(lái)計(jì)算貫流風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)噪聲。3內(nèi)周葉片角對(duì)風(fēng)機(jī)流量和噪聲的影響在大部分對(duì)貫流風(fēng)機(jī)的研究中,內(nèi)周葉片角對(duì)貫流風(fēng)機(jī)性能的影響都沒有被考慮,原因是根據(jù)速度三角形,當(dāng)葉柵進(jìn)口安裝角為90°時(shí),氣流在理論上是完全無(wú)沖擊地兩次流經(jīng)葉柵,即無(wú)預(yù)旋。根據(jù)動(dòng)量方程,只有進(jìn)口和出口才是整個(gè)葉柵總能量傳遞的決定因素,在無(wú)預(yù)旋的徑向進(jìn)口的情況下,葉片角度的改變不會(huì)引起壓力的變化,然而,由于葉輪與氣體的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)存在,速度場(chǎng)已經(jīng)發(fā)生變化。利用商用CFD軟件FLUENT6.2和自行研發(fā)的“空調(diào)用貫流風(fēng)機(jī)參數(shù)化建模軟件”,對(duì)內(nèi)周葉片角分別為80°、83°、85°、87°、90°5種情況下的貫流風(fēng)機(jī)進(jìn)行實(shí)體建模和網(wǎng)格劃分,并對(duì)內(nèi)流場(chǎng)和氣動(dòng)聲場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬,研究?jī)?nèi)周葉片角變化對(duì)風(fēng)機(jī)流量和噪聲的影響。表1和圖4給出了不同內(nèi)周葉片角下的風(fēng)機(jī)流量。從中看出,隨著內(nèi)周葉片角的減小,風(fēng)機(jī)流量增加,但隨著內(nèi)周葉片角的繼續(xù)減小,葉片對(duì)流體的做功能力減弱,從而使風(fēng)機(jī)流量減小。圖5為不同內(nèi)周葉片角下的風(fēng)機(jī)噪聲頻譜圖。從中看出,5種情況在基頻處的噪聲水平相差不大,都沒有明顯的波峰。但在二次諧波處,內(nèi)周葉片角為80°、83°和85°時(shí)均有明顯的尖峰,且峰值較高,內(nèi)周葉片角為80°時(shí)的峰值相對(duì)較小,內(nèi)周葉片角為87°和90°時(shí)的峰值則更加不明顯,雖然存在,但相對(duì)影響較小。圖6為不同內(nèi)周葉片角的貫流風(fēng)機(jī)A聲級(jí)頻譜圖。從中看出,在基頻處,內(nèi)周葉片角為80°時(shí)風(fēng)機(jī)A聲級(jí)最低,其它4種情況相差不大,內(nèi)周葉片角為90°時(shí)的A聲級(jí)偏高。在二次諧波處,內(nèi)周葉片角為90°的A聲級(jí)最低,隨著內(nèi)周葉片角減小,二次諧波處的A聲級(jí)逐漸增大,但增加的幅度不大。另外,二次諧波處的A聲級(jí)總體水平比基頻處高。綜合考慮流量和噪聲,內(nèi)周葉片角為90°時(shí)風(fēng)機(jī)性能相對(duì)最優(yōu)。4風(fēng)機(jī)參數(shù)化建模通過利用商用CFD軟件FLUENT6.2和自行研發(fā)的“空