王善彬, 楊愛玲,2,3, 李國平, 陳二云,2, 鄔長樂
(1.上海理工大學 能源與動力工程學院,上海 200093;2.上海市動力工程多相流動與傳熱重點實驗室,上海 200093;3.上海出版印刷高等??茖W校,上海 200093;4.上海船舶設備研究所,上海 200031)
作為通風散熱設備,通風機廣泛應用于暖通、計算機、家用電器等領域,其氣動噪聲成為影響室內噪聲品質的重要因素。相關研究表明,葉片尾緣噪聲是通風機的主要氣動噪聲源之一[1],可采用鋸齒結構尾緣[2-4]、自由變形參數(shù)[5]、刷狀尾緣[6]和多孔表面[7]等方法進行抑制。
1972年,Chanaud等[8]以降低流體動能向聲能轉化效率為目的,采用多孔葉片來降低風扇噪聲。實驗證明多孔葉片可以降低A計權聲壓級5 dB左右。1979年,Howe[9]對剛性殼體穿孔表面流體脈動進行理論分析,從理論角度證實了多孔尾緣降低噪聲的可能性。Geyer等[10]實驗測量了多孔滲透葉片的氣動噪聲,證明滲透性表面可以降低尾緣氣動噪聲,但是會降低升力、增加阻力,使葉片氣動性能損失較大。劉漢儒等[7]以NACA0012葉片為基體,在距離尾緣0.07~0.15倍弦長處設置多孔區(qū)域,通過數(shù)值模擬手段,研究不同攻角下葉片的流動和氣動噪聲特性。結果發(fā)現(xiàn):多孔尾緣在較大攻角(失速前)、低于1 000 Hz的頻率范圍時能降低葉片噪聲4 dB左右;和原葉片相比,多孔葉片空氣動力學性能(升阻比)損失可達8%。馬揚等[11]研究了葉片尾緣雙穿孔孔徑、穿孔位置對葉片性能的影響,結果表明,在小攻角下,尾緣雙穿孔葉片升阻比較原葉片有明顯的提升,且相較于原葉片噪聲最高可降低10 dB。
除孔徑、孔位置外,孔型、穿孔傾斜角以及排列方式等均可能對穿孔后的葉片流場有影響。戴萍等[12]研究孔型對葉片氣膜冷卻效率的影響過程,發(fā)現(xiàn)不同孔型對葉片穿孔射流的作用不同,從而影響葉片流場。受此啟發(fā),本文擬采用數(shù)值模擬方法研究孔型、傾斜角對穿孔葉片流場和氣動噪聲的影響機制和規(guī)律,為穿孔葉片在通風機氣動噪聲控制中的應用提供依據(jù)。
本文研究的原型葉片為NACA65019,葉片弦長c=100 mm。參考文獻[11],選取葉片穿孔位置Xc=0.82c,如圖1所示。圖中,φ為傾斜角,本文分別取30°,45°,60°。采用的穿孔孔型分別為圓柱型(C)、前向擴張型(Q)和后向擴張型(H),3種孔型幾何參數(shù)見表1。其中:d1為吸力面孔徑;d2為壓力面孔徑。
圖1 尾緣穿孔葉片平面示意圖Fig.1 Plane diagram of trailing edge perforated blade
表1 3種孔型定義Tab.1 Three hole type definitions
本文使用Fluent軟件,采用大渦模擬方法求解非定常不可壓N-S方程獲得葉片繞流的數(shù)值解,以及湍流場的基本特征,其中非定常流場的初場由葉片流場的定常數(shù)值解給出。氣動噪聲的預測采用FW-H積分方法計算。
本文研究的空氣流動馬赫數(shù)低于0.3,可視作不可壓 流 動 。本文采用 SST(shear stress transport)模型求解三維不可壓的雷諾時均N-S(Navier-Stokes)方程組,計算葉片繞流場的定常解。求解過程中,控制方程采用壓力速度耦合的SIMPLE算法,對流插值選用二階迎風格式,獲得的定常流場收斂解作為非定常計算的初場。
非定常計算采用大渦模擬(LES)方法,其中,采用動力Smagorinsky-Lilly亞格子模型,從而獲取葉片的非定常繞流流場信息。在非定常計算中,時間步長 Δt=2×10?5s。
氣動噪聲預測采用 FW-H(fowcs Williams-Hawking)聲學模型來模擬,并用FFT方法對噪聲數(shù)據(jù)進行處理,獲得噪聲頻譜分布特性。
計算域有進口、出口、固體壁面以及遠場4種邊界,進口及遠場邊界條件給定為速度入口,出口邊界條件為自由出流,葉片壁面設置為絕熱無滑移壁面,展向方向為周期性邊界條件。
圖2為葉片的計算域示意圖,進口邊界距葉片前緣20倍弦長,出口距葉片前緣30倍弦長,上、下層邊界距葉片弦線均為20倍弦長,整個計算域分為2個計算子域,如圖2所示。其中:A域為外圍流場區(qū)域;B域為葉片近壁區(qū)域。由于B域網(wǎng)格質量對數(shù)值解精度影響較大,所以B域使用O型網(wǎng)格劃分。圖3是來流攻角α=0°、孔傾斜角φ=45°時C型孔葉片的近壁面網(wǎng)格示意圖。近壁面第一層網(wǎng)格高度為0.01 mm,增長率為1.05,近壁面第一層網(wǎng)格的y+值小于1,網(wǎng)格的正交度大于0.2,滿足大渦模擬方法對網(wǎng)格質量的要求,經(jīng)網(wǎng)格無關性驗證,本文確定計算域網(wǎng)格總數(shù)在350萬左右。
圖2 計算流場域Fig.2 Flow field for calculate
圖3 近壁面網(wǎng)格(C-45°)Fig.3 Near-wall mesh(C-45°)
圖4為攻角α=0°時原NACA65019葉片表面靜壓的實驗與數(shù)值模擬對比曲線,圖中實驗數(shù)據(jù)來自文獻[11]。噪聲測試的工具為丹麥公司的Bruel and Kjaer手持式噪聲分析儀(Type 2270),該儀器使用B&K4189型傳聲器和ZE-0032前置放大器,麥克風靈敏度為46.0 mV/Pa,最大誤差小于0.2 dB,A加權動態(tài)范圍為16.6~140 dB。測量過程中為避免儀器和測試人員對測量結果的影響,傳聲器通過數(shù)據(jù)線與分析儀連接。分析儀置于遠離葉片的地面,用吸聲材料覆蓋。分析儀通過網(wǎng)線將采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)较暿彝獾挠嬎銠C,噪聲數(shù)據(jù)由計算機測量分析。為了盡量減小實驗的系統(tǒng)誤差,實驗前采用CA114型號的聲校準器對噪聲儀進行校正。
圖4 葉片表面靜壓分布Fig.4 Static pressure distribution on blade surface
由圖4可見,靜壓數(shù)值模擬值及實驗值趨勢相同,在吸力面弦長0.018 m處與實驗值相差最大,相對誤差為5.5%,在可接受誤差范圍內,證明了本文所采用的數(shù)值方法可靠。
圖5 為雷諾數(shù)Re=2×105、α=0°時,同一監(jiān)測點處實驗和數(shù)值模擬獲得的聲壓頻譜曲線。由于消聲實驗室截止頻率為100 Hz,因此圖中僅給出了100 Hz以上的頻譜。由圖可知:實驗和數(shù)值模擬獲得的頻譜曲線分布趨勢基本相符,在100~800 Hz范圍,實驗結果與數(shù)值模擬結果一致;在900~3200 Hz范圍,實驗結果高于數(shù)值模擬;在 5000~10000 Hz范圍,實驗結果低于數(shù)值模擬。實驗和數(shù)值計算得到的測點總聲壓級相差0.4 dB。可見,本文采用的數(shù)值方法較好地給出了葉片繞流輻射的聲場。
圖5 原始葉片實驗和數(shù)值模擬的噪聲特性對比Fig.5 Comparison of noise characteristics between original blade experiment and numerical simulation
對于實驗值和模擬值在某一頻段內的差距,本文認為有以下幾種原因:a.由于實驗的偶然因素引起的隨機誤差;b.實驗測量所用的葉片展長為420 mm,測試段為300 mm,而模擬葉片的展長為12 mm,聲源面積相差33.3倍。采用噪聲疊加原理進行處理時,無法保證測試段都在同一雷諾數(shù)下,同時測試段外也存在流速,會對測試段有影響。
圖6給出了C型葉片的升力系數(shù)(Cl)、升阻比(Cl/Cd)隨穿孔傾斜角變化的曲線,其中,橫坐標為攻角大小??梢?,傾斜角對葉片升力系數(shù)、升阻比分布趨勢影響較小。當來流攻角α≤6°時,不同穿孔傾斜角葉片的升力系數(shù)與原始葉片基本一致,當6°<α<10°時,穿孔葉片升力系數(shù)大于原始葉片,隨后各穿孔葉片的升力系數(shù)隨攻角增加迅速下降,低于原始葉片。圖中,YS表示原始葉片。
圖7給出了φ=30°時,葉片升力系數(shù)(Cl)、升阻比(Cl/Cd)隨穿孔孔型變化的曲線。由圖可知:當α≤6°時,穿孔葉片升力系數(shù)基本一致;但α=3°時,Q型葉片升阻比明顯降低,降低比例達到27.4%;H型葉片升阻比明顯增大,增大比例達到17.3%;α>9°時,C型葉片氣動性能最接近原始葉片。綜合圖6、圖7可得,傾斜角φ=30°的C型穿孔葉片的氣動性能相對較好,與原始葉片最為接近。
圖6 傾斜角對C型葉片升力系數(shù)、升阻比的影響Fig.6 Influence of inclination angle of perforation on C type blade lift and drag coefficient
圖7 孔型對葉片升力系數(shù)、升阻比的影響Fig.7 Influence of perforated structure on blade lift and drag coefficient
圖8給出了α=9°時,C型穿孔葉片近尾緣區(qū)域流線圖譜隨穿孔傾斜角的變化。圖中,X,Y分別為葉片水平和垂直方向離原點的距離與弦長的比值。從該圖可以看出,在原始葉片吸力面,有一較為明顯的分離渦駐留在尾緣處;葉片進行穿孔后,壓差作用引起一股自壓力面射向吸力面的射流,從而注入一部分能量到吸力面的低能流體,使吸力面尾緣處的分離渦破碎成較小的分離渦。表2給出了相同攻角下,原始葉片以及穿孔傾斜角φ=30°,45°和60°時的C型穿孔葉片的分離點位置x??梢?,穿孔葉片的射流會使吸力面分離點位置后移。李典等[13]研究表明分離后移可提高葉片升力系數(shù),這與圖5所示的升力系數(shù)分布相對應。
表2 葉片表面分離點位置(α=9°、C型)Tab.2 Position of the separation point on the blade surface(α=9°, C type)
圖8 傾斜角對葉片近尾緣區(qū)域流線圖譜影響(α=9°、C型)Fig.8 Effect of the inclination angle on the streamline pattern near the trailing edge of the blade (α=9°, C type)
為探究穿孔對葉片尾跡流動的影響機制,本文研究了充分發(fā)展狀態(tài)下的某瞬時(t=0.1 s)的渦量特征。本文以α=6°為例,介紹了渦量特征。圖9給出了α=6°時,C型穿孔葉片的尾跡渦量云圖隨穿孔傾斜角的變化。從圖9(a)所示的原始葉片渦量云圖可以看出,葉片吸力面邊界層內出現(xiàn)了分離渦,分離渦沿流向運動、發(fā)展,在尾緣處與壓力面邊界層混合并脫落,成為高渦量尾跡渦結構。
圖9 傾斜角對葉片尾跡渦量的影響(α=6°、C型)Fig.9 Effect of the inclination angle on blade wake vorticity (α=6°, C type)
相比于原始葉片,φ=30°的C型穿孔葉片的渦量分布發(fā)生了明顯變化,如圖9(b)所示,葉片尾緣的渦量大小以及渦的范圍明顯小于原始葉片,這表明穿孔葉片的射流有效抑制了渦沿葉片表面法向的發(fā)展,使大尺度渦破碎成了小尺度渦,從而使得葉片尾緣尾跡寬度顯著減小。對比圖9(b)和9(c)可以發(fā)現(xiàn),φ=45°時的穿孔葉片尾緣渦量分布與φ=30°時基本接近,但抑制效果沒有后者效果顯著。由圖9(d)可知,φ=60°時C型葉片的穿孔射流已無法抑制渦的發(fā)展,相比原始葉片,無論渦量的大小還是渦的范圍均有擴大的趨勢。在低馬赫數(shù)下認為,流動噪聲來源于渦,因此猜測φ=30°,45°的C型穿孔葉片可有效降低流動噪聲。
圖10給出了α=6°時,φ=30°穿孔葉片的尾跡渦量云圖隨穿孔孔型的變化。相比于原始葉片,φ=30°的3種穿孔孔型葉片的渦量分布均發(fā)生了明顯變化。葉片尾緣渦渦量大小以及渦的范圍明顯小于原始葉片,這是由于穿孔射流的作用所致。各穿孔孔型葉片相比,渦量大小以及渦的范圍差異不明顯,在φ=30°的情況下,穿孔孔型不能明顯改變葉片繞流流場。
圖10 孔型對葉片尾跡渦量的影響 (α=6°,φ=30°)Fig.10 Influence of hole type on blade wake vorticity (α=6°, φ=30°)
為顯示繞流葉片湍流場向遠場輻射的噪聲,在50%葉高所在截面上,距葉片弦長中點為1.2 m的圓上,均勻布置24個聲學監(jiān)測點,如圖11所示。
圖12為α=6°時,不同穿孔傾斜角對C型穿孔葉片的噪聲影響。由圖可知,葉片穿孔后其繞流噪聲的指向型分布圖樣幾乎不變,但噪聲水平有明顯變化。相比于原始葉片,φ=30°,45°,60°的C型穿孔葉片的噪聲總聲壓級平均下降了8.6,6.6,2.1 dB。從監(jiān)測點b1的聲壓頻譜曲線(如圖11(b)所示)來看,φ=60°的C型穿孔葉片與原始葉片相比,在 100~20000 Hz范圍內,不同頻段內的聲壓級幾乎不變化,這與前文中的渦量變化和噪聲指向性圖相印證。φ=30°,45°時,穿孔葉片明顯降低了 100~500 Hz 以及 3200~9000 Hz 內的噪聲,這是由于穿孔射流將葉片吸力面上大的分離渦破碎形成小的分離渦,使得附面流體變得相對穩(wěn)定。當頻率大于10000 Hz后,降噪效果沒有低頻明顯,甚至高頻段噪聲略大于原始葉片,可能是由穿孔引起的方腔噪聲。噪聲指向性圖及頻譜圖都證明了除φ=60°外的穿孔葉片均有降低噪聲的能力。
圖11 聲場測點位置分布Fig.11 Position distribution of monitoring points
圖12 傾斜角對噪聲的影響(C型)Fig.12 Effect of tilt angle on noise (C type)
圖13為α=6°,φ=30°時,C型、Q型、H型穿孔孔型對葉片噪聲的影響。葉片穿孔后其繞流噪聲的指向型分布圖樣幾乎不變,但噪聲水平有明顯變化。相比于原始葉片,C型、Q型、H型穿孔葉片的噪聲聲壓級平均下降了 8.6 ,7.5 ,6.5 dB。不同穿孔結構葉片的頻譜聲壓級分布趨勢一致,與原始葉片相比,穿孔處理減小了渦量大小以及渦的范圍,使得 100~500 Hz、3200~9000 Hz 頻段聲壓級降低。
圖13 孔型對噪聲的影響(φ=30°)Fig.13 Influence of hole type on noise (φ=30°)
基于NACA65019葉片,在雷諾數(shù)Re=2×105條件下,采用大渦模擬和FW-H方法研究了穿孔孔型和穿孔傾斜角對葉片氣動特性、繞流流場和噪聲特性的影響規(guī)律,并得出以下結論:
a.穿孔葉片隨著φ的增大,穿孔對渦量抑制作用越小,結合穿孔葉片每個攻角情況下的升力系數(shù)、升阻比對比分析,當φ=30°時,C型穿孔葉片氣動性能最接近原始葉片。
b.葉片穿孔后其繞流噪聲的指向型分布圖樣幾乎不變,但噪聲水平有明顯變化,穿孔改型對葉片各個方向的聲壓級都有一定程度的降低,在前緣和尾緣處降低幅度最大。
c.結合穿孔葉片的流場分析,本文認為穿孔有效降低噪聲的原因是:在一定攻角下,穿孔處理抑制了渦量沿葉片表面法向的發(fā)展,并且加速了尾緣渦沿流動方向的能量衰減,同時,穿孔射流使大渦破碎成小渦,衰減波動力,使得氣動噪聲降低。