贯流叶轮的旋转模态分析.pdfVIP

中国工程热物理学会 流体机械 2009 年学术会议论文 编号：097051 贯流叶轮的旋转模态分析∗ 甘加业 薛永飞 刘映 吴克启 （华中科技大学煤燃烧国家重点实验室，武汉 430074） （Tel:02783 Email:ganjiaye0775@163.com） 摘要：本文应用旋转模态理论研究贯流叶轮的离散噪声特性。通过设计不同的蜗壳匹配方案，并采用 CFD 方法计算不同方案中贯流风机内部涡流动结构，以确定贯流叶轮上下游发生干涉的叶片数。计算 了不同蜗壳及蜗舌匹配方案中贯流叶轮的截止率。计算结果表明，由于叶轮内主流速度较低，贯流风 机的离散噪声不明显。 关键词：模态分析；贯流风机；气动噪声；CFD 1 引言 贯流风机在家用空调领域有广泛的应用，随着人们对环境噪声的要求逐渐提高，贯 流风机的气动噪声问题成为人们关注的焦点。空调室内机的叶轮具有独特的结构，流体 在叶轮内两次穿过叶轮，并在叶轮内形成与众不同的偏心涡结构，流场中具有多种部件 相互干扰现象[1] 。实验研究表明贯流风机远场噪声频谱中包含着丰富的频率成分，宽频 特性也比较明显，与离散噪声几乎在同一个级别。目前关于贯流风机远场噪声的主要特 性（离散或宽频）仍存在争议，不同机型其远场辐射频谱特征又有所不同，这主要是因 为贯流风机流场具有独特的噪声声源所致。 本文将应用旋转模态理论，对贯流风机中动静干扰现象（离散噪声源）进行分析， 探讨贯流风机噪声的形成机理。 2 研究方法 当前旋转叶轮机械离散噪声特性的分析方法主要基于 Tyler-Sofrin[2] 的旋转模态理 论。因贯流叶轮上叶片展向与转轴平行，而一般轴流叶轮上安放的叶片展向与轴线垂直， 同时，贯流风机的涡壳及蜗舌都是由不规则的曲面构成，因此应用模态分析理论前必须 简化贯流风机。 2.1 贯流叶轮的简化 图1 给出了简化贯流风机模型的流程。首先，贯流叶轮的转轴比直径长3～6 倍， 故轴向涡的影响可忽略，进而三维模型简化为二维模型，如图 1b)所示，大大节省了计 算时间。其次，观察图 1a)所显示的内部流动涡结构，流体从叶轮进口经过一次贯流， 只有一部分形成尾迹作用在二次贯流的叶片上，同时由于背板边界层分离涡及偏心涡控 制着叶轮内部分流场，使得贯流叶轮的叶片只有其中一部分发生相互干扰，故进行模态 分析时，可以忽略部分叶片的影响，如图 1c)所示。最后，由于蜗舌及背板几何模型的 复杂性，当前已有的模态分析理论还难以处理复杂曲面结构，另外本文重点在于探讨影 基金项目：国家自然科学基金资助项目（No 响转静相互干扰模态产生因素，而不具体分析模态如何传播，故这里忽略了这些结构的 影响，最终贯流风机简化后的模型如图1d)所示。 a)贯流风机内的涡结构 b)几何模型 c)去除部分叶片 d)最终的简化模型 图1 贯流叶轮的简化方案 2.2 上下游叶片数的匹配方案 虽然前面给出了具体的简化方案，但还难以分别确定上游与下游相互干扰的叶片 数。从图 2a) 的流场涡结构分布来看，背板与叶轮距离最近处边界层分离涡及偏心涡较 大程度上控制了叶轮内的流动，故若改变蜗舌和背板与叶轮的相对位置，就有可能控制 边界层分离涡及偏心涡在流场内所占据的比重，同时改变了叶轮内发生相互干扰的叶片 数。按照这一思路，本文对一贯流风机模型[1]设计了以下方案： 第一种方案：蜗壳和蜗舌向上平移3mm，蜗壳和蜗舌都往中心移动2mm ； 第二章方案：设计方案； 第三种方案：蜗壳和蜗舌下移3mm，远离中心2mm 。 通过流场的 CFD 计算，分析蜗壳与叶轮的匹配方式如何改变流场涡结构的，并进 一步了解涡运动对贯流叶轮内相互干扰的影响。 图2 给出了速度分布图（三个），方案1 偏心不明显，涡心往蜗舌进口处移动，可 以观察到，进口附近背板上出现一个较大的分离涡，可判定这种匹配方案的贯流风机气 动性能必然会不理想。另外，该方案造成的结果是相互干扰的叶片数中上游的要比下游 的多。方案