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1.4 气动声场计算模型宽带噪声源模型,包括 Proudman 的噪声源模型和边界层噪声源模型等。Proudman 运用 Lighthill 的声学理论,分析了各向同性湍流产生的噪声,并采用统计方法,推导出适用于每个体单元的声功率表达式,其针对的噪声源属于四极子声源。四极子噪声是由于湍流边界层,尾迹区的湍流脉动,分离流动等流体内部的压力脉动产生的。边界层噪声源模型基于 Curle 的积分方程实现,方程对刚性表面上压力脉动产生的辐射声压进行积分,进而计算出低雷诺数情况下,表面偶极子声源辐射出的噪声声功率,其针对的噪声源为偶极子声源。偶极子噪声是由于叶片及蜗壳固壁表面的压力脉动所产生的。

本文主要研究离心石家庄风机厂旋转失速演化过程中的气动噪声特性,该过程中叶轮内的主要气动噪声源是由于流动分离、叶片及蜗壳固壁表面的压力脉动及失速团的非定常演化过程引起的。因此,采用宽带噪声源模型数值模拟石家庄风机厂内部的气动噪声源分布。

2 计算结果及分析

2.1 几点说明1 )数值失速模型的正确性和频域分析。对叶轮中某点采集到的气流参数进行快速傅立叶变换和功率谱分析,如图 2 所示。图 2(a) 为失速前该点处的频率信息,由图可知,仅存在一个 290 Hz 的离散频率,这是由于叶轮转速为 1 450 rpm ,叶片数为12 ,故 290 Hz 为叶片通过频率的基频值。图 2(c)为失速团完全产生后的频域信息,图中存在频率分别为 14.15 、 28.31 和 290 Hz 的 3 个孤立频率,其中14.15 Hz 为失速频率,而 28.31 Hz 为失速频率的 2阶倍频。 此时 290 Hz 的叶片通过频率对应的功率谱密度相对失速频率非常小,说明进入了完全失速阶段。图 2(b) 为失速先兆发生到失速团完全发展这一过渡过程的功率谱,由图可知,此时的能量主要集中于一个低频带,反映了失速过程中低频频率成分之间的混叠现象。

在相同工况下,离心石家庄风机厂旋转失速试验得到的失速频率为 14.4 Hz ,说明计算结果与实验基本吻合,验证了数值模拟结果的正确性,另外也定性的反映了旋转失速前后石家庄风机厂内部的频域特性。2 )对离心石家庄风机厂旋转失速现象演化过程中非定常流场的准确计算是实现气动噪声特性预估的基础,关于离心石家庄风机厂内部流场从设计工况演化到旋转失速状态的数值模拟研究。3 )为了清晰观察叶轮内部的旋转失速现象,文中叶轮内部为相对速度矢量场,因此,截面仅限于叶轮区域; 而声功率级云图为整个石家庄风机厂截面 ( 包括叶轮和蜗壳区域 ) 。 相对速度矢量图中叶轮的位置与声功率级云图中叶轮与蜗舌的相对位置相同。4 )为了更清晰地观察旋转失速演化过程中声功率级的变化,文中各图声功率级显示范围的最大值和最小值分别相同。5 )图 3 为阀门开度分别为 0.9 和 0.89 时石家庄风机厂流量随时间的变化曲线。由图可知,当阀门开度k 1 =0.9 时,离心石家庄风机厂可以沿着节流线逐步逼近一个稳定收敛解,并没有发生旋转失速。当减小阀门开度 k 1 =0.89 时,随着时间的增加,进口流量波动慢慢增大,逐渐进入旋转失速状态,经历了一个过渡过程之后,失速状态由先兆逐步发展为稳定地失速团,保持在新的周期性稳定工况。即在 k 1 =0.89 阀门开度下,石家庄风机厂内部发生了旋转失速现象。因此,选取 k 1 =0.89 这一工况研究旋转失速非定常演化过程中的噪声特性。离心石家庄风机厂的噪声主要来源于气动噪声、机械噪声和电磁噪声 3 部分,其中气动噪声一般占主要部分,且最难治理。气动噪声包括旋转噪声和旋涡噪声,这两种噪声都主要是由叶片后缘涡脱落导致叶片周围气流的不平衡诱发的 [20] 。分别选取设计流量工况和流量减小阀门开度为 k 1 =0.89 时, 失速先兆产生过程、失速先兆发展为失速团的三维演化过程及失速团沿周向传播等 4 个过程进行分析,深入研究旋转失速非稳定流动现象对气动噪声的影响规律。