振动特性外文翻译

流量测量和仪表 利用实验和数值研究尾缘形状对三维轴流 风机出风口气体流动的影响

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接收 2009年3月15日 修订 2009年8月13日 收录 2010年2月5号 摘要：

本文的主要目的是研究轴流风机尾缘结构对风机出风口湍流流动的影响。 本文研究的风机主要为三个低气压且低马赫的轴流式风机， 分别为径向，向前和 向后扫描三种不同的叶轮结构。本文采用了实验和计算流体动力学（ CFD）方法 对三个风扇进行了研究，并对结果进行了相应的比较。该方法是一个用三维（3D） 的雷诺平均方程和纳维斯托克斯方程与雷诺应力模型作为湍流模型（ RSM ）的 数值模拟方法。它使我们能够计算出雷诺应力张量的分量。 不平稳速度的测量可 利用风扇下游的热线技术来测定，并对三个速度组分量与从利用实验和模型得到 的雷诺兹应力张量的六个组分的值进行比较。 同时，此现象还用于验证设计和风 扇模型的正确性。由此最终得到，前缘减少了组元径向的速度，而尾缘则增加了 这部分的速度。此外，尾缘对风扇下游湍流的动量有重要影响作用。

引言： 涡轮机械中流体的流动情况非常复杂。 他们的共同特征是三维的、粘性的和 不稳定的特征。几何特点及运行情况对涡轮机械中的流体流动也有重大的影响

不稳定的气动力现象常常是出现在空气动力性数值减少的情况下， 而且它们也是

关键词：轴流风机 尾缘 热线技术 雷诺应力模型 产生噪声和驰振现象的原因。因此非稳态流在对轴流风机进行调查的时候是一个 重要的课题内容。对于那些复杂的流动研究，可利用不同的紊流模型进行数值模 拟。计算流体动力学（CFD）工具可使那些用纳维尔斯托克斯方程的无法给出的不 稳定气动特性的流动特性问题得以解决。 而且，利用直接数值模拟或大涡模拟方 法对于像涡轮机械这样复杂的几何流体力学工业中的代价是非常昂贵的。 本文的目的是为了确定蜗舌对风机尾缘的下游速度分量的影响。 这些不稳定 部件可以分为确定性的和随机性的两部分。 确定性部分为叶片通道频率及其倍频 的离散成分。它由转子叶片及其环境之间的周期性的不稳定的作用力而产生。 随 机性部分主要是由于在旋转的叶片翼周围存在紊乱流场，因而促使所有的频率超 过了 5到20万赫兹的频带范围。 本文提出了一种初步的噪音预测方法的研究。 且将湍流产生的动能作为噪声 预测模型的输入［1，2］。雷诺应力模型的湍流模块能够使我们精准的计算湍流流 动所具有的动量（4.3部分）。 本文以汽车冷却系统中的轴流式风机作为个案进行研究。因为它们常常受较 差的流入条件所牵制。正由于这个流入状况产生了周期性的和随机性的力， 导致 了一定音频和带宽的噪音。此外，由于叶片表面上的湍流边界层的交互作用与尾 缘的作用产生的波动不平的力使得风机产生了宽频的独立噪音。 使用对降噪叶片扫尾对降低噪声似乎是有效的。汉森 ［3］主要研究了通过取 消产生噪声的所处不同径向相位的位置降低叶片的噪声音调的问题。 他还研究叶 片对叶片的相互干扰。通过他的研究结果，可以看到大角度的叶尾对于叶片之间 的作用是非常有利的，尤其对于低速转子，与亚拉巴马州的夫卡诺［4］、科明斯⑸ 等人的研究是类似的。此外，夫基塔 ⑹的实验表明，合理数值的尾缘对降低噪 声也相当的有利。 值得一提的是，艾维亚［7］与卡尔森［8］的研究工作似乎还为选择叶片尾缘角 度的分布提供了理论依据。该理论对降低湍流因素所产生的噪声的降低有明显的 影响。将之应用于低速轴流风机的前后尾缘，不但改变了噪声源的空间分布 ，也 使得它们不会在刀片半径范围内同时产生。 这样产生相位变换变为沿翼展方向上 的的压力和速度分量和在的破坏性或建设性的结果之间的干扰， 从而对辐射噪声 进行修改。有关空气动力和车内的声学特性的具有叶片尾缘的轴流式风机的完整 的文献在参考书目［9］中有具体分析。 雷诺纳维尔数值模拟稳定和不稳定的加载在叶片的力和福克斯威廉霍金姆 斯的构想可以用来辅助声调部分音谱［10］所聚集的叶轮。为了空间的统一而非时 间不稳定的流动，但是，雷诺纳维尔数值模拟作为宽频噪声预测的方法是行不通 的。宽频噪声的预测来源的模拟数值需要高精度数值。亚拉巴马州的卡洛斯 ［11］ 曾利用热线技术获得为各种不同的流入配置使用的湍流静态数据库统计。 这些结 果被拿来与莱斯的模拟结果作为比较。莱斯预测 LES的影响叶片波动动荡和风 机噪声与其有利的实验相比较。莱斯莱斯模型不但工业耗能价格昂贵， 而且不如 雷诺纳维尔斯托克斯动量方程的计算更有用的［1，2］。 第二部分提出了用实验装置来测量风机下游的三维不稳定速度分量。 测量是 通过热线技术测量风机下沿半径流体的通过量。分析动荡的波动数据，元件的速 度紊动应力张量可用湍流动能来描述。然后模拟三种不同的风机（第三部分）的模 型和计算。最后，其结果将在第四部分进行比较与分析。

2、实验装置

这项研究所采用的风机样为三个轴流式风机原型。其叶片按叶片伸展方向 为三种不同方式的径向辐射状。如图1所示：

C2for G2rad G2back 轲1 0223 0.248 0.247

1 0289 0330 0314

表1 三风机工作时的流动效率 第一个风机模型所展示的为径向扫掠状结构（G2rad）,第二个为向前旋转 式扫掠状模型（G2for）,而第三个为向后旋转式扫掠状模型（G2back）。对于第 二和第三模型而言，其扫略模型为对称结构，但是其它的几何结构确实同样的， 每一个风机都有八片风叶。三个轴流式风机的结构设计有如下特征： 外部半径 Rext =187.5mm 内部半径 Rint =85mm 相隔错开角度为75 ° 护罩的厚度为 2.5mm 转子建立在一根用细长的最大值厚度仅为 55毫米的沿眉形线的NACA0065 叶片上，在前缘和拖尾处以圆弧过渡，其旋转速度是 45HZ。 根据表1可知，对于所有测量的名义流动速率，三个风机的名义流动速率

9 为 1.3 n 。

2.1试验设备 在这项研究中，采用了连续温度测量技术（CTA），因为它能够快速、精确的 传递时间系列和宽带光谱信号。根据径向平衡的假说，轴流式风机应该是可以忽 略二维流动和径向组件的绝对速度。 但是这种情况很少，因为观察同心圆空气管 之间的能量转移，对轴流式风机三维流场的描述还是需要的。 同时，风机的主轴 转动切向和径向分量的测量速度必须和之前估算的值进行对比。 用一个2D Dan tec 55R51的热纤维膜探测器测量分量部分的瞬时速度。可 测量两不同角度的测量位置的物理值， 以确定三个速度分量。因而，采用一个可 旋转90度的轴探针进行测量。使用一个 2D探针得到如同描述的完整的空间结 构的流场，完整的测量系统由一个 5H24探针点测的情况下，如果一个采用连续 温度测量技术的每线最小 CTA的54T30，一个标准的PCI6048-E型A / D，和 一个转数表和一个能使抽样信号达到 250千赫兹的触发器的相应软件CTA V3.4， 如图2和图3显示的实验设备。根据ISO5801标准［12］设计和建造的空气试验台， 能使空气流动速度在设计点的控制范围内，并且选择适当的孔板直径。 在风机下游采用11等分分布的均匀径向间隔热线探测器定位点探测， 离尾 缘在中心10毫米处，风机的转角B如（图4）。测量得到B绝对角速度基本为中等 转速。绝对速度角度依赖于风机机构和流量， 所以每个风机测定值是不同的。 此 外，这个沿半径角度变化的结构如图 3。在所有测量点中，以绝对转速适中的点 图.3 图.4 热线探测技术（CTA）系统以每1000样品中45千赫的频率取样。这些数据是 由20批次的风机样本收集而来。

2.2校准和不确定度分析 校准建立在通过静压的探针装置测量的输出速度和流速之间的关系式，然 后记录了其电压，即通过拟合点（E，U）代表传递函数被用来当转换数据记录在电 压的效应。为了得到更好的精度，取介于1m/s到25m/s的速度值之间选择20个 按对数分布的速度采集点，然后，利用软件计算四次多项式传递函数的值。 在一个自由的空气装置之前和之后进行探测器校准， 检测并控制其漂移量。 校准的工作台由一种大容量的具有恒定压力和一个与外界大气相通的小孔组成。 空气装置点的速度计算可用伯努里方程 V = •., 2 推算，p为空气的密度， △ P为装置内和大气的相对压力差。 经过二十次校准之后得到的似乎重复性的误差与如下所示的两次失误相比 就可以忽略不计了。第一是校准速度的测定：压力计的精度为 1Pa,符合校准台 精度的0.047m/s的精度要求。第二是四阶多项式估算与真实传递函数两者之间 的区别。多项式曲线与实测点最大相对误差为 3%,最低速度可达4m/s。最高速 度误差大约为1%。 例如，在20m/s的速度时，可接受的相对误差为 3%;在速度为4m/s时， 可接受相对误差为13% 2.3测量过程

为最佳参照 二维探测是为测量二维流场速度分量而专门设计的，因为速度分量实验需 其速度元同时进行。测量三组分量的时候必须考虑到第三个项目的影响， 以及涉 及探针对流动的另一方向的放置。图 4、图5显示了二维探针和风机坐标系统以 及其线性位置。每线性分量彼此相互垂直，以便探测点（x）每条线的之间角度 相隔45°角。它们组成一个平行于（u, v ）的X-wire阵列，作为探针轴（图5） 指定的位置1、位置2。在一个异常紊乱的3D流场情况中，轴流式风机下游速 度组元（与探针平面垂直）是很重要的。为了将其影响考虑在内，类似于三维感应 器或四维感应已被探讨和并发展［13］。

图5.位置1、2探测器的位置和与之相关的座标系统

探测器的三维流动坐标系的特点在于它的速度元件 （U，V，W）。为得到线 性坐标（U1，U2 ）和副法线及位置1的W组件，得进行一定的测量。旋转后， 再进行线性坐标（U1'，U2'）和位置2 （如图5所示）处的V组件的测量。坐 标（U1，U2，U1'，U2'）线性的依赖探头坐标（U，V，W ），所以四个等式可 以用从元件（U，V，W）和三个未知方程式 ⑴和（2）。在1和2位置处，组件与各 独立速度分量 W和V相一致。切向方向的分量使得测量有效的冷却速度（def ，

U2^）、（ Uh ， UJff ）受到干扰。这些干扰因素主要是由于切向组元（U1, U2）、（U'1，U'2）相关的偏航角（k1, k2）和副法线倾斜因素（h1，h2）有关的