王加浩,龔東巧,劉小民,田晨曄,王越,席光

(1.西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,710049,西安;2.青島海爾智能研發(fā)有限公司,266000,山東青島)

長期的自然進(jìn)化使鯉科魚逐漸形成了一種低阻力、高效率的流線型身軀和游動(dòng)方式。鯉科魚類游動(dòng)狀態(tài)可以分為正常巡游狀態(tài)和C型啟動(dòng)逃逸游動(dòng)狀態(tài)[1]。C型啟動(dòng)逃逸游動(dòng)狀態(tài)下的魚體軀體中線的具體變化為在短時(shí)間內(nèi)由直線迅速地彎曲成“C”型[2]。該狀態(tài)下的魚體表面及周圍沒有低速流動(dòng)分離,流動(dòng)阻力減小[3]。

多翼離心風(fēng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、氣動(dòng)性能優(yōu)良、能耗低等特點(diǎn),這使其在空調(diào)等家用電器領(lǐng)域的應(yīng)用必不可少[4],多翼離心風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)性能主要受風(fēng)道系統(tǒng)的集流器、葉輪和蝸殼這3個(gè)過流部件的影響。多翼離心風(fēng)機(jī)葉片普遍為圓弧形葉片,存在著葉片進(jìn)口邊壓力脈動(dòng)較強(qiáng)、葉片出口尾跡渦脫落嚴(yán)重、葉間流道內(nèi)部流動(dòng)損失大和葉片型線不合理等一系列問題。許多學(xué)者對(duì)葉輪引起的流動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象、噪聲產(chǎn)生的原因及相關(guān)研究方法進(jìn)行了深入的研究?；谟?jì)算流體力學(xué)(CFD)和實(shí)驗(yàn)研究方法。肖千豪等采用最優(yōu)拉丁超立方的優(yōu)化方法獲得了較優(yōu)的單圓弧葉片型線,整體提高了風(fēng)機(jī)多工況下的風(fēng)量和效率[5]。Kim等采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)和進(jìn)化算法(EA)獲得了噪聲最低的最佳等厚圓弧葉片參數(shù)集[6]。王加浩等指出單圓弧葉片的氣動(dòng)性能比雙圓弧葉片差,通過采用響應(yīng)面法對(duì)雙圓弧葉片型線的多個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,提高了風(fēng)機(jī)的整體氣動(dòng)性能[7]。此外,Adachi等通過實(shí)驗(yàn)研究了圓弧葉片的進(jìn)口角、出口角、傾角、弦長等參數(shù)對(duì)多翼離心風(fēng)機(jī)流場(chǎng)和氣動(dòng)性能的影響[8]。上述研究表明,多翼離心風(fēng)機(jī)葉片型線的優(yōu)化對(duì)提高風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)性能和降低噪聲有明顯的效果。然而,由于圓弧形葉片形狀特征和傳統(tǒng)葉片設(shè)計(jì)方法的局限性,使得單純的依賴葉片優(yōu)化設(shè)計(jì)已不能滿足風(fēng)機(jī)更高的性能要求。

仿生技術(shù)是工程技術(shù)與生物科學(xué)相結(jié)合的交叉學(xué)科,為流體機(jī)械氣動(dòng)性能的提升提供了新的途經(jīng)。近年來,研究人員采用仿生技術(shù)來提升風(fēng)機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)性能[9],如海鷗翼[10]、長耳鸮翼[11-12]、鯊魚鰭和表皮[13]、海豚頭部特征[14]等,這些經(jīng)自然進(jìn)化形成的結(jié)構(gòu)為風(fēng)機(jī)葉片的減阻、降噪和節(jié)能改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了新的途徑。Liao等[15]將雀鷹和鸮的翼型特征應(yīng)用于軸流風(fēng)機(jī)的仿生優(yōu)化設(shè)計(jì),仿生葉片的氣動(dòng)性能明顯優(yōu)于原葉片。王雷等將長耳鸮翅膀進(jìn)行仿生翼型重構(gòu),并將其應(yīng)用于軸流葉片的改型設(shè)計(jì)中,使得風(fēng)機(jī)風(fēng)量提升的同時(shí),有效降低了風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)噪聲[16]。王夢(mèng)豪等提取了長耳鸮翅膀40%展向的翼型截面,將其應(yīng)用于多翼離心風(fēng)機(jī)葉片的型線中,減弱了葉間流道內(nèi)旋渦流和葉片與蝸舌的非定常相互作用[17]。家用電器中的多翼離心風(fēng)機(jī)葉片大多采用等厚度的金屬葉片,若材料滿足熱性能和工藝要求,也可使用不等厚度葉片。多翼離心風(fēng)機(jī)葉片中弧線主要采用單圓弧和雙圓弧中弧線,中弧線形狀及控制參數(shù)決定了葉片的氣動(dòng)性能。圓弧型葉片形狀與C型啟動(dòng)下的魚體的中心線形狀相近,均具有前向彎曲特征。同時(shí),魚類高效游動(dòng)姿態(tài)下身體中心線所呈現(xiàn)的流線型樣條曲線在葉片中弧線上的應(yīng)用還尚未有人研究。

本研究從鯉科魚C型啟動(dòng)游動(dòng)特性出發(fā),提出了仿生等厚葉片(BETB)和仿生耦合葉片(CBB),并將其應(yīng)用到多翼離心風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)中。首先采用逆向工程方法提取了C型啟動(dòng)姿態(tài)下魚體橫截面中心線和輪廓型線。根據(jù)仿生中弧線進(jìn)、出口角特性和葉片降噪機(jī)理,設(shè)計(jì)了不同方案的BETB。以原型風(fēng)機(jī)為參考,通過數(shù)值求解RANS方程和FW-H方程,得到了氣動(dòng)性能和噪聲最優(yōu)的仿生等厚葉片(O-BETB)。在O-BETB中弧線的基礎(chǔ)上,對(duì)魚體的橫截面輪廓進(jìn)行耦合重建獲得了CBB。最后,對(duì)比分析了原型風(fēng)機(jī)、O-BETB風(fēng)機(jī)和CBB風(fēng)機(jī)的流場(chǎng)特性和噪聲產(chǎn)生機(jī)理。從仿生流動(dòng)控制控制和仿生降噪的角度,為多翼離心風(fēng)機(jī)的綜合性能優(yōu)化提供了有益的參考。

1 魚體特征型線提取與仿生葉片重構(gòu)

1.1 C型啟動(dòng)特征型線提取

鯉科魚在捕食或受到外界刺激時(shí)會(huì)產(chǎn)生猝發(fā)運(yùn)動(dòng)狀態(tài),使其從靜止突然加速,在極短的時(shí)間內(nèi)的魚體中心線由直線迅速地彎曲成C型,并形成較高的速度,稱為C型逃逸啟動(dòng)。該過程中魚體表面及周圍則沒有流動(dòng)分離和旋渦的產(chǎn)生,僅在魚尾尾跡較遠(yuǎn)處會(huì)形成脫落渦[3]。考慮到魚體在該姿態(tài)下具有高效率的流動(dòng)特性以及較好的流線型外形特征,將其進(jìn)行多翼離心風(fēng)機(jī)葉片中弧線仿生應(yīng)用,以提高風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)性能。采用仿生方法的本質(zhì)為利用某種仿生結(jié)構(gòu)對(duì)流體的流動(dòng)控制機(jī)理進(jìn)行探索應(yīng)用,這種控制效果對(duì)于水和氣體等常規(guī)流體的作用效果是不變的,并且魚類游動(dòng)和風(fēng)機(jī)的運(yùn)行的工質(zhì)和相關(guān)流動(dòng)參數(shù)雖然存在一定差異,但兩種流動(dòng)工質(zhì)的本質(zhì)均為不可壓縮黏性流體,兩種狀態(tài)下的流動(dòng)速度以及雷諾數(shù)差異不大,因此流動(dòng)工質(zhì)和相關(guān)流動(dòng)參數(shù)的差異基本可以忽略。不同種類魚的仿生結(jié)構(gòu)特征雖不同,但其仿生結(jié)構(gòu)的作用本質(zhì)不變,首次選擇自然界中機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、較為普遍的草魚作為研究對(duì)象。通過對(duì)其進(jìn)行刺激,使其產(chǎn)生最大C型逃逸啟動(dòng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài),如圖1所示。為保證所獲得的仿生結(jié)構(gòu)的代表性,獲取該姿態(tài)下的大量特征型線并比較分析,提取最具有代表性的平均狀態(tài)下鯉科魚C型啟動(dòng)魚體中心線。利用PIV系統(tǒng)拍攝魚體C型啟動(dòng)姿態(tài)下的魚體形狀及流場(chǎng)結(jié)構(gòu),拍攝場(chǎng)景如圖2所示。通過軟件Davis進(jìn)行解析,并采用閾值分割法提取魚體中間截面和中心線的二維輪廓和特征點(diǎn),將特征點(diǎn)進(jìn)行連線,獲得C型啟動(dòng)姿態(tài)下魚體中間橫截面的型線,如圖3所示。

以魚體輪廓的最低點(diǎn)為原點(diǎn)建立圖4中的魚體型線坐標(biāo)系,獲得魚體橫截面輪廓曲線和中心線的幾何特征點(diǎn)坐標(biāo)(x,y)。根據(jù)彎曲特征將魚體中心線分為4段,分別為曲線a、b、c、d。采用最小二乘法對(duì)魚體中心線特征點(diǎn)進(jìn)行擬合修正,所形成的擬合曲線如圖5所示,魚體中心線擬合方程的R2均在0.999以上,根據(jù)方程所形成的曲線與魚體中心線形狀較一致,保證了擬合曲線具有與魚體中心線相同的性能特性。擬合曲線a(yaj)、b(ybj)、c(ycj)、d(ydj)所對(duì)應(yīng)的方程分別為

yaj=j[-0.282 14-241.55(1-e323.87x)+1.25x]
-153≤x<0,R2=0.999 34

(1)

(2)

(3)

ydj=j[117.608-0.659 4x-0.002 38x2]
42.5≤x<10.5,R2=0.999 5

(4)

式中:j表示不同大小魚體中線尺寸的差異度,j=0.36～1.8;x、y分別為魚體橫截面輪廓的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)。其中,曲線d為魚頭處型線,魚頭處為頭骨,而非脊柱骨,該處魚體中心線近似為直線,與多翼風(fēng)機(jī)葉片中弧線的曲線特征不符,同時(shí)考慮到葉片進(jìn)口角特點(diǎn),為保證葉片的氣動(dòng)性能,曲線d不應(yīng)用于葉片中弧線上。擬合曲線a(yaj)、b(ybj)、c(ycj)組成仿鯉科魚C型啟動(dòng)葉片中弧線,圖5中A點(diǎn)為仿生葉片中弧線進(jìn)口點(diǎn),B點(diǎn)仿生葉片中弧線出口點(diǎn)。

根據(jù)圖4中鯉科魚體中間橫截面剖面輪廓的特征點(diǎn)坐標(biāo),采用最小二乘法擬合獲得魚體輪廓曲線方程如下

(5)

(6)

(7)

式中:y1為頭部輪廓線1的縱坐標(biāo);y2為中間輪廓線2的縱坐標(biāo);y3為尾部輪廓線3的縱坐標(biāo)。魚體翼型結(jié)構(gòu)如圖6所示,其上下翼型表面對(duì)稱,Cl是魚體橫截面輪廓的弦長。

1.2 仿生等厚葉片重構(gòu)

葉片中弧線的彎曲特性直接影響到風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)性能。本研究中選擇的原型葉片型線設(shè)計(jì)參數(shù)為采用響應(yīng)面法多參數(shù)尋優(yōu)設(shè)計(jì)獲得,該葉片較同類風(fēng)機(jī)葉片的整體氣動(dòng)性能較優(yōu)。葉片的進(jìn)口角β1=65°,出口角β2=165°,中心角θ=6°,如圖7所示。采用鯉科魚C型啟動(dòng)魚體中心曲線作為中弧線的仿生葉片的形狀由曲線方程(1)～(3)確定。與原型葉片的中弧線相比,仿生中弧線的固定只需要確定葉片進(jìn)口角β1,無其他尺寸參數(shù)控制葉片中弧線形狀,降低了葉片中弧線設(shè)計(jì)的難度和復(fù)雜性。仿生中弧線左右等距偏移形成仿生等厚葉片(BETB)的橫截面。圖8是BETB橫截面與魚體中心線形狀的比較,兩者的形狀基本相同?？紤]到BETB中弧線的特點(diǎn)和葉片的氣動(dòng)性能影響機(jī)理,BETB的β1設(shè)計(jì)范圍選擇為5°～25°,不同中弧線方案的β1值間隔為2.5°。由此得到了9種BETB設(shè)計(jì)方案,分別為β1=5°,7.5°,10°,12.5°,15°,17.5°,20°,22.5°,25°。不同β1的BETB如圖9所示。

2 數(shù)值計(jì)算模型和方法

2.1 研究對(duì)象與計(jì)算模型

本研究中多翼離心風(fēng)機(jī)為雙進(jìn)氣形式,葉輪中間由中盤間隔。原型機(jī)葉片為單圓弧等厚葉片,風(fēng)機(jī)的風(fēng)道系統(tǒng)主要由蝸殼、葉輪和集流器組成。圖10為原型風(fēng)機(jī)風(fēng)道系統(tǒng)的各部分主要結(jié)構(gòu)。

風(fēng)機(jī)計(jì)算域劃分為上、下進(jìn)口域,上、下葉輪區(qū)域,蝸殼域和出口域?？紤]到多面體網(wǎng)格的質(zhì)量高和適應(yīng)性好的優(yōu)點(diǎn),采用Fluent meshing對(duì)計(jì)算域進(jìn)行多面體網(wǎng)格劃分。為滿足瞬態(tài)計(jì)算中湍流模型和壁面函數(shù)對(duì)計(jì)算域網(wǎng)格質(zhì)量的要求,在蝸殼與葉輪的固體壁面添加邊界層,使壁面處第一層網(wǎng)格的y+處于30～100。圖11為所建立的計(jì)算域模型網(wǎng)格。為控制網(wǎng)格數(shù)量并保證計(jì)算的準(zhǔn)確性,以風(fēng)量作為響應(yīng)進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證,確定計(jì)算域網(wǎng)格數(shù)為585萬,葉輪和蝸殼區(qū)域分別為306萬和192萬。

2.2 計(jì)算方法

采用數(shù)值計(jì)算軟件ANSYS Fluent對(duì)風(fēng)機(jī)的流動(dòng)和聲場(chǎng)特性分別進(jìn)行計(jì)算。流動(dòng)控制方程為非定常雷諾時(shí)均Navier-Stokes方程,湍流模型采用Standard k-epsilon兩方程模型,近壁面函數(shù)選用Standard Wall Functions,壁面的邊界條件采用無滑移邊界條件,壓力和速度耦合采用SIMPLE算法。為保證計(jì)算精度,控制方程的湍動(dòng)能和湍流耗散率均采用Second Order Upwind格式,壓力項(xiàng)采用PRESTO!離散格式。根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)狀況,風(fēng)機(jī)上、下進(jìn)口給定總壓邊界條件,總壓值均取為101 325 Pa;風(fēng)機(jī)出口給定靜壓邊界條件,出口靜壓為101 325 Pa。風(fēng)機(jī)中的旋轉(zhuǎn)區(qū)域即葉輪流體域,其在額定工況轉(zhuǎn)速為810 r·min-1,定常計(jì)算采用MRF方法。為保證初始瞬態(tài)計(jì)算有比較好的初始流場(chǎng),以穩(wěn)態(tài)計(jì)算的收斂解作為非定常計(jì)算的初始值。在瞬態(tài)計(jì)算中,時(shí)間項(xiàng)選用Second Order Implicit格式,葉輪區(qū)域仍為旋轉(zhuǎn)區(qū)域,但使用滑移網(wǎng)格方法。設(shè)置K、epsilon及黏性項(xiàng)等各量的收斂殘差為10-6。瞬態(tài)計(jì)算和噪聲計(jì)算的時(shí)間步長由下式[19]確定

(8)

式中:K=40為每一個(gè)時(shí)間步內(nèi)的最大迭代步數(shù);v=810 r/min為葉輪轉(zhuǎn)速;Z=56,60為葉片數(shù),分別對(duì)應(yīng)于下文中CBB和BETB風(fēng)機(jī)的葉片數(shù)。時(shí)間步長取為3.125×10-5s,葉輪旋轉(zhuǎn)4周。

風(fēng)機(jī)氣動(dòng)噪聲數(shù)值計(jì)算目前常采用方法為瞬態(tài)計(jì)算結(jié)合聲類比理論的FW-H方法,即通過瞬態(tài)計(jì)算獲得近場(chǎng)的風(fēng)機(jī)內(nèi)部流動(dòng)信息和葉輪、蝸殼壁面的聲壓脈動(dòng)變量,結(jié)合FW-H方程得到風(fēng)機(jī)的遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲和接收點(diǎn)噪聲的時(shí)域信息,再通過快速傅里葉變換得到聲壓級(jí)頻譜,進(jìn)一步獲得聲場(chǎng)的聲壓、聲源強(qiáng)度等信息[20]。因此,將上述風(fēng)機(jī)瞬態(tài)流動(dòng)計(jì)算收斂后的結(jié)果作為FW-H聲學(xué)方程計(jì)算的輸入項(xiàng),設(shè)置葉輪和蝸殼壁面為噪聲源,進(jìn)一步計(jì)算葉輪旋轉(zhuǎn)4周的氣動(dòng)噪聲。噪聲接收點(diǎn)根據(jù)GB/T 2888—2008中的通風(fēng)機(jī)噪聲實(shí)際測(cè)試要求進(jìn)行布置,風(fēng)機(jī)位于球心處,4個(gè)噪聲接收點(diǎn)均布于水平面與下半包絡(luò)球面相交的圓周上,圖12為噪聲測(cè)點(diǎn)分布情況。根據(jù)風(fēng)機(jī)計(jì)算域模型的中心坐標(biāo),計(jì)算中接收點(diǎn)的坐標(biāo)分別設(shè)置為A(0 m,-1 m,-1 m)、B(1 m,-1 m,0 m)、C(0 m,-1 m,1 m)、D(-1 m,-1 m,0 m)。噪聲計(jì)算結(jié)果為4個(gè)測(cè)點(diǎn)上噪聲的算術(shù)平均值。

2.3 計(jì)算結(jié)果及驗(yàn)證

風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能測(cè)試按照GB/T 1236—2000中的要求進(jìn)行,通過改變多噴嘴裝置中噴嘴大小和數(shù)目,再經(jīng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)處理得到風(fēng)機(jī)各個(gè)工況點(diǎn)動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)。為減小測(cè)量誤差,風(fēng)機(jī)需熱機(jī)30 min后進(jìn)行測(cè)試。原型機(jī)氣動(dòng)性能測(cè)試場(chǎng)景如圖13所示。風(fēng)機(jī)噪聲測(cè)試在專業(yè)半消音室中進(jìn)行,根據(jù)GB/T 2888—2008中噪聲測(cè)試要求進(jìn)行,半消音室中噪聲測(cè)點(diǎn)的布置與噪聲計(jì)算中聲源接收點(diǎn)位置相同,測(cè)量儀器采用CRY2120型聲壓傳感器測(cè)量聲壓,其測(cè)試精度為±0.2 dB。噪聲測(cè)試場(chǎng)景如圖14所示。

原型風(fēng)機(jī)在0 Pa靜壓工況下的風(fēng)量和噪聲實(shí)驗(yàn)測(cè)試與計(jì)算結(jié)果如表1所示。風(fēng)量實(shí)驗(yàn)測(cè)量值為1 219 m3·h-1,計(jì)算值為1 245.5 m3·h-1,相對(duì)誤差為2.2%。噪聲實(shí)驗(yàn)測(cè)量值為67.4 dB,數(shù)值計(jì)算值為69.5 dB,絕對(duì)誤差為2.1 dB,相對(duì)誤差為3.02%,噪聲計(jì)算誤差和風(fēng)量計(jì)算誤差都在5%以內(nèi),表明本文數(shù)值計(jì)算模型及方法可靠,能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)本研究中多翼離心風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)性能。

表1 原型風(fēng)機(jī)噪聲實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果Table 1 Experiment and calculation noise of prototype fan

3 結(jié)果分析

3.1 氣動(dòng)性能分析

出口ps=0 Pa工況下原型葉片風(fēng)機(jī)和不同β1的BETB風(fēng)機(jī)的流量和聲壓級(jí)(SPL)如圖15所示。

從圖中可以看出,隨著β1的增加,BETB的流量呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)β1在12.5°和15°之間時(shí),流量達(dá)到最大值。當(dāng)β1大于17.5°時(shí),流量隨β1的增大而線性減小。這主要是因?yàn)棣?越大,葉片出口角β2越大,導(dǎo)致葉間流道出口堵塞,從而降低了流量。與原型風(fēng)機(jī)相比,BETB風(fēng)機(jī)在β1為7.5°、10°、12.5°、15°和17.5°時(shí)的流量優(yōu)于OETB風(fēng)機(jī)。從不同β1的BETB風(fēng)機(jī)的噪聲分布可以看出,當(dāng)β1在5°～15°范圍內(nèi)時(shí),噪聲波動(dòng)較小,在β1為5°和12.5°時(shí),氣動(dòng)噪聲最低。當(dāng)β1大于15°時(shí),隨著β1的增大,噪聲有急劇增加的趨勢(shì),這主要是由于葉間流道出口氣流受阻所致。綜合考慮不同β1下BETB風(fēng)機(jī)的流量和噪聲,確定β1=12.5°為最佳仿生中弧安裝角度,具有該中弧線的葉片為最佳仿生等厚葉片(O-BETB)。O-BETB風(fēng)機(jī)在β1=12.5°時(shí)的流量為1 330 m3·h-1,比原型風(fēng)機(jī)的風(fēng)量提高了6.8%;噪聲為69.0 dB,比原型風(fēng)機(jī)的噪聲降低了0.5 dB。

3.2 建立仿生耦合葉片

考慮到O-BETB的等厚特性對(duì)葉片性能的提升有限,結(jié)合魚體流線型輪廓結(jié)構(gòu)的低流阻特性,對(duì)O-BETB表面進(jìn)行非等厚耦合仿生設(shè)計(jì),進(jìn)一步提高風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)性能。結(jié)合O-BETB的最優(yōu)仿生中弧線和圖6中魚體的橫截面輪廓型線,對(duì)O-BETB進(jìn)行仿生耦合設(shè)計(jì)。首先,根據(jù)O-BETB的中弧長度和魚體橫截面的Cl長度,按比例重構(gòu)魚體橫截面曲線方程(5)～(7)。然后,根據(jù)式(5)～(7),將魚體的橫截面曲線離散為特征坐標(biāo)點(diǎn),并根據(jù)魚體輪廓厚度分布特征將特征點(diǎn)布置在中弧線兩側(cè)。通過樣條曲線擬合將特征點(diǎn)連接成閉合曲線,從而形成仿生耦合葉片(CBB)。

圖16顯示了原型葉片、O-BETB和CBB的橫截面結(jié)構(gòu)的比較。O-BETB和CBB的中弧線均為β1=12.5°的仿生中弧線。根據(jù)3種葉片輪廓得到的原型葉輪、O-BETB葉輪和CBB葉輪分別如圖17(a)、圖17(b)和圖17(c)所示。O-BETB葉輪和原型葉輪是等厚葉片,所以保持葉片數(shù)為60不變。為了保證種葉輪的葉柵稠密度相同,CBB葉輪的葉片數(shù)為56片。從圖17可以看出,由3種葉片形成的葉間流道的形狀存在顯著差異。從進(jìn)口到出口,原型葉輪的葉間流道呈逐漸收縮的形狀,BETB葉輪的葉間流道呈先擴(kuò)大后逐漸收縮的形狀。由于CBB葉輪和BETB葉輪采用相同的中弧線,葉輪流道也呈現(xiàn)出先擴(kuò)大后逐漸收縮的形狀,但其仿生魚體外形使葉輪流道過渡更加平滑,葉片吸力面和壓力面的曲率變化也不同。

為驗(yàn)證CBB風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)性能,對(duì)O-BETB風(fēng)機(jī)和CBB風(fēng)機(jī)在不同ps工況下的氣動(dòng)性能進(jìn)行計(jì)算,得到3種風(fēng)機(jī)的ps-Q性能曲線如圖18所示。

對(duì)比圖18中的原型風(fēng)機(jī)在不同靜壓工況點(diǎn)風(fēng)量的數(shù)值結(jié)果與實(shí)驗(yàn)ps-Q性能曲線,可以看出風(fēng)量計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的變化趨勢(shì)相同,隨著出口靜壓的降低,風(fēng)量先緩慢增大后快速增加。在出口靜壓為0 Pa時(shí),風(fēng)量最大,這進(jìn)一步說明了本文計(jì)算方法的準(zhǔn)確性。隨著ps的增加,3種風(fēng)機(jī)的流量均呈下降趨勢(shì)。O-BETB風(fēng)機(jī)和CBB風(fēng)機(jī)在所有工況下的流量均大于原型風(fēng)機(jī)。O-BETB風(fēng)機(jī)和CBB風(fēng)機(jī)的ps-Q性能曲線實(shí)現(xiàn)了對(duì)OETB風(fēng)機(jī)的ps-Q性能曲線的覆蓋。這表明兩種仿生葉片的風(fēng)機(jī)在所有工況下的氣動(dòng)性能均較原型風(fēng)機(jī)有顯著提升。在低ps工況下,O-BETB風(fēng)機(jī)的流量與CBB風(fēng)機(jī)基本相同。在高ps工況下,CBB風(fēng)機(jī)的流量明顯高于O-BETB風(fēng)機(jī)。這表明CBB具有更強(qiáng)的做工能力,尤其是在高ps工作條件下。在ps=0 Pa下,CBB風(fēng)扇的流量最大。與原型風(fēng)機(jī)相比,CBB風(fēng)機(jī)的流量增加103.5 m3·h-1,相對(duì)增加了8.3%,而在相同流量工況下,CBB風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓大于O-BETB和OETB風(fēng)機(jī),因此CBB風(fēng)機(jī)的綜合氣動(dòng)性能最好。

在ps=0 Pa工況下,3種風(fēng)機(jī)的噪聲在各個(gè)測(cè)點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果見表2。O-BETB風(fēng)機(jī)和CBB風(fēng)機(jī)的噪聲分別為69.0 dB和68.4 dB。結(jié)合上述風(fēng)機(jī)風(fēng)量分析,與原型風(fēng)機(jī)相比,BETB風(fēng)機(jī)在流量增加了6.8%的基礎(chǔ)上,噪聲降低了0.5 dB。CBB風(fēng)機(jī)的流量在BETB風(fēng)機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步增加1.3%,噪聲進(jìn)一步降低0.6 dB,其中A、C兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的降噪效果最為明顯。在3種風(fēng)機(jī)中,CBB風(fēng)機(jī)在各種工況下的氣動(dòng)性能和噪聲特性是最優(yōu)的,CBB風(fēng)機(jī)的耦合仿生結(jié)構(gòu)特性可以進(jìn)一步提高風(fēng)機(jī)的流量,同時(shí)降低氣動(dòng)噪聲。

表2 風(fēng)機(jī)各測(cè)點(diǎn)噪聲值Table 2 Noise at measurement points of fans

3.3 風(fēng)機(jī)內(nèi)部流動(dòng)特性分析

通過分析3種風(fēng)機(jī)在最大流量工況點(diǎn)的內(nèi)部流動(dòng)狀況來揭示仿生葉片提高風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能的原因。為了分析原型風(fēng)機(jī)與仿生風(fēng)機(jī)內(nèi)部不同位置截面的流動(dòng)狀態(tài),揭示葉輪內(nèi)部流動(dòng)的改善效果,這里針對(duì)沿多翼離心風(fēng)機(jī)軸線方向上不同距離處的3個(gè)截面進(jìn)行分析,如圖19所示。其中,圖19(a)中的20%葉輪軸向距離截面為靠近風(fēng)機(jī)主進(jìn)風(fēng)口側(cè)的葉輪截面,圖19(b)中的60%葉輪軸向距離截面為靠近葉輪中盤處的葉輪截面,圖19(c)中的85%葉輪軸向距離截面為靠近副進(jìn)風(fēng)口側(cè)的葉輪截面。在沿葉輪軸向長度上,靠近中盤位置處的葉間流道內(nèi)流動(dòng)最為穩(wěn)定,兩側(cè)進(jìn)風(fēng)口處葉間流道內(nèi)的流動(dòng)分離現(xiàn)象最為嚴(yán)重,葉片背面出現(xiàn)較為明顯的低速旋渦區(qū)域,原型風(fēng)機(jī)和仿生優(yōu)化風(fēng)機(jī)呈現(xiàn)相同的變化規(guī)律,其中以CBB葉輪葉間流道內(nèi)的低速分離程度最弱,宏觀表現(xiàn)為葉輪做功能力更強(qiáng)和產(chǎn)生的渦流噪聲更小。在相同的葉輪截面上,O-BETB葉輪和CBB葉輪的葉間流道內(nèi)的旋渦和葉片吸力面的流動(dòng)分離程度均相對(duì)原型風(fēng)機(jī)得到明顯改善,這是由于采用仿生中弧線的葉片進(jìn)、出口角更符合氣流進(jìn)入葉輪時(shí)的流動(dòng)角度,葉片中弧線的曲線特征對(duì)氣流有更好的引導(dǎo)和做功作用,使得葉間流道內(nèi)的速度分布更加均勻,抑制了葉道內(nèi)的旋渦的產(chǎn)生與發(fā)展,改善了葉間流道內(nèi)的漩渦堵塞程度,進(jìn)而減小了葉輪內(nèi)部的局部能量損失和渦流噪聲,提高了風(fēng)機(jī)的風(fēng)量和效率。由于兩種葉片的中弧線均采用仿鯉科魚C型啟動(dòng)中心線,使得兩者葉輪內(nèi)的流場(chǎng)呈現(xiàn)相同的流動(dòng)特點(diǎn),流動(dòng)的改善程度及位置幾乎一致。其中,由于CBB葉片在O-BETB葉片的基礎(chǔ)上表面添加了魚體翼型,使得氣流更好的附著在葉片表面,葉片吸力面的低速氣流的流動(dòng)分離程度進(jìn)一步減弱,抑制了旋渦流的產(chǎn)生與發(fā)展,從而使葉間流道內(nèi)的氣流流動(dòng)更加穩(wěn)定,表現(xiàn)為風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能的進(jìn)一步提高和寬頻噪聲的進(jìn)一步降低。

3種風(fēng)機(jī)在60%葉輪軸向距離截面及蝸舌處的湍動(dòng)能分布如圖20所示,與原型風(fēng)機(jī)相比,兩種仿生葉片風(fēng)機(jī)在葉間流道和蝸舌處的較強(qiáng)湍動(dòng)能區(qū)域均得到有效抑制并消失。這是由于仿生葉片的流線型中弧線結(jié)構(gòu)以及進(jìn)出口角度特點(diǎn)使其葉道內(nèi)流動(dòng)能量損失減弱,同時(shí)在該葉片出口段型線的控制下,葉片出口尾流能夠被蝸舌更好的分流,減小了蝸舌處湍流脈動(dòng),從而使得這兩處的湍流耗散情況得到有效緩解。兩種仿生葉片風(fēng)機(jī)在出口擴(kuò)壓區(qū)域湍流脈動(dòng)區(qū)域相對(duì)原型風(fēng)機(jī)較大,容易造成出口擴(kuò)壓區(qū)域較大的能量損失和流動(dòng)紊亂。O-BETB風(fēng)機(jī)與CBB風(fēng)機(jī)流場(chǎng)分布情況幾乎一致,但CBB葉片采用魚體輪廓特征,使得風(fēng)機(jī)內(nèi)部流動(dòng)更加穩(wěn)定。

3.4 葉輪區(qū)域渦核脫落分析

原型與仿生葉輪在Q準(zhǔn)則的65×105s-2等值面的渦核心區(qū)分布如圖21所示。3種葉輪在靠近蝸殼出口區(qū)域和蝸舌區(qū)域的渦核脫落明顯,這分別是由于這兩處區(qū)域的較大氣流速度在葉片出口邊所形成的氣流紊亂程度大和蝸舌處壁面氣流的非定常相互作用強(qiáng)所在造成的。兩種仿生葉輪的渦結(jié)構(gòu)與原型葉輪有著明顯的差別,仿生葉輪在前后盤側(cè)泄露渦以及葉片吸力面和出口邊的分離渦相對(duì)于原型葉輪明顯減少、變薄,但在葉片進(jìn)口邊的沖擊渦改善程度并不明顯。由于葉片出口邊和前后盤側(cè)距離蝸殼壁面較近,吸力面的分離渦產(chǎn)生在葉片背側(cè)壁面上,對(duì)噪聲的貢獻(xiàn)較大。O-BETB葉輪與CBB葉輪所產(chǎn)生的渦及分布幾乎相同,CBB葉輪在葉片進(jìn)口處的沖擊渦和葉片表面強(qiáng)度相對(duì)O-BETB葉輪較小,宏觀反映了葉片渦流噪聲的降低。

3.5 噪聲分析

圖22為原型風(fēng)機(jī)、O-BETB風(fēng)機(jī)以及CBB風(fēng)機(jī)在聲壓接收點(diǎn)C處的聲壓級(jí)頻譜。多翼離心風(fēng)機(jī)在中低頻區(qū)域的聲壓級(jí)對(duì)整體計(jì)算頻譜的總聲壓級(jí)貢獻(xiàn)較大,兩種仿生風(fēng)機(jī)在低中頻段區(qū)域的聲壓級(jí)相對(duì)原型風(fēng)機(jī)的降低程度比較明顯,間接反映了仿生風(fēng)機(jī)噪聲降低的原因。結(jié)合流場(chǎng)分析可以得出這部分噪聲的降低主要是寬頻渦流噪聲和進(jìn)出口干涉噪聲。其中,CBB葉片的魚體翼型輪廓的施加使得大部分低中頻區(qū)域的寬頻渦流噪聲在O-BETB的基礎(chǔ)上進(jìn)一步降低。原型風(fēng)機(jī)和O-BETB風(fēng)機(jī)的通過頻率為810 Hz,CBB風(fēng)機(jī)的葉片旋轉(zhuǎn)頻率為756 Hz,與圖22中計(jì)算頻率一致,噪聲峰值均出現(xiàn)在基頻和倍頻處,符合理論分析。3種風(fēng)機(jī)在整個(gè)頻率范圍內(nèi)的噪聲極值點(diǎn)均出現(xiàn)在基頻處,3種風(fēng)機(jī)在整個(gè)頻譜的噪聲分布特征也沒有較大的差別。葉輪的尾緣分離渦相對(duì)O-BETB葉輪稍有增加。

1/3倍頻頻譜圖可以顯示風(fēng)機(jī)聲壓級(jí)頻譜的寬頻特性,圖23為3種多翼離心風(fēng)機(jī)在接收點(diǎn)C處的聲壓級(jí)1/3倍頻頻譜圖。從圖中可以看出,在0～2 500 Hz范圍的大部分區(qū)域內(nèi),CBB風(fēng)機(jī)相對(duì)于其他兩種風(fēng)機(jī)的聲壓級(jí)普遍存在較為明顯的下降,而在2 500～5 000 Hz這一頻率范圍內(nèi)的降噪效果并不明顯,說明CBB風(fēng)機(jī)在中低頻段范圍內(nèi)聲壓級(jí)的降低是其整體噪聲低的主要原因。根據(jù)圖19～圖21中的流場(chǎng)結(jié)構(gòu),進(jìn)一步說明了仿生中弧線和魚體翼型輪廓曲線特征能有效降低葉片表面的邊界層噪聲和葉片尾緣的脫體渦流噪聲。

葉輪壁面靜壓分布是風(fēng)機(jī)噪聲的重要源頭之一,聲壓脈動(dòng)時(shí)均值是采樣點(diǎn)的靜態(tài)壓力對(duì)時(shí)間偏導(dǎo)的均方根值[1]。原型葉輪與CBB葉輪的葉片表面聲壓脈動(dòng)時(shí)均分布如圖24所示,葉片的高聲壓脈動(dòng)時(shí)均區(qū)域主要分布在葉片前緣、葉片尾緣以及葉片吸力面,這也是葉輪的主要噪聲聲源位置,CBB葉片在這幾處位置的聲壓脈動(dòng)得到改善,O-BETB的改善效果次之。原型葉片前緣的高聲壓脈動(dòng)較大,而CBB葉片前緣的較大聲壓脈動(dòng)僅存在葉片厚度面上,這是因?yàn)樵既~片的進(jìn)口角大于氣流進(jìn)口沖角,氣流對(duì)葉片前緣的沖擊較大,從而產(chǎn)生較大的聲壓脈動(dòng),且CBB葉片的進(jìn)口角與氣流進(jìn)口沖角較為一致,有效降低了葉片前緣處的來流紊流噪聲。仿生葉片的進(jìn)口角和流線型葉片結(jié)構(gòu)特征使氣流更加平穩(wěn)地進(jìn)入葉間流道,減小葉片背面所產(chǎn)生的脫流旋渦,降低葉片背面流動(dòng)分離所產(chǎn)生的邊界層噪聲,CBB葉片表面的流線型魚體翼型曲線和合適的葉片出口角也使得葉片尾緣的聲壓脈動(dòng)強(qiáng)度也得到明顯減弱,較大聲壓時(shí)均脈動(dòng)區(qū)域的分布面積減小,造成葉片尾緣的尾跡分離渦脫落程度改善以及氣流與蝸殼近處內(nèi)壁的沖擊作用得到緩解,從而使得葉片尾緣區(qū)域噪聲的強(qiáng)度降低。

4 結(jié) 論

本文選取鯉科魚C型啟動(dòng)姿態(tài)下的魚體中心線及魚體輪廓構(gòu)型作為仿生元素,對(duì)多翼離心風(fēng)機(jī)葉片分別進(jìn)行仿生設(shè)計(jì)和仿生耦合設(shè)計(jì)。通過數(shù)值計(jì)算、流場(chǎng)分析和性能實(shí)驗(yàn)測(cè)試相結(jié)合的方法,得到主要結(jié)論如下。

(1)與原型風(fēng)機(jī)相比,仿生中弧線葉片和仿生耦合葉片的氣動(dòng)性能和噪聲特性均得到改善。帶有仿生耦合葉片的多翼離心風(fēng)機(jī)在0 Pa出口靜壓工況下,風(fēng)量增加了8.3%,噪聲降低了1.1 dB,在不同運(yùn)行工況條件下風(fēng)機(jī)ps-Q性能曲線均得到有效提升,這表明將鯉科魚C型啟動(dòng)時(shí)魚體中心線及魚體輪廓結(jié)構(gòu)型線應(yīng)用于多翼離心風(fēng)機(jī)葉片的仿生設(shè)計(jì)是有效的。

(2)仿生耦合葉片中弧線彎曲和葉片曲面特征能夠有效減小葉片進(jìn)口邊的氣流沖擊和葉片表面的低速流動(dòng)分離,使得葉間流道的流速分布更加均勻。同時(shí),仿生耦合葉片前緣進(jìn)口角能夠更好地對(duì)氣流進(jìn)行導(dǎo)向,降低了葉片前緣壓力脈動(dòng)產(chǎn)生的來流噪聲,匹配的出口角設(shè)計(jì)也有效減弱了尾跡流以及出口氣流對(duì)蝸殼壁面的非定常沖擊作用。

(3)噪聲分析結(jié)果表明,仿生耦合葉片多翼離心風(fēng)機(jī)在中低頻率范圍的聲壓級(jí)降低是風(fēng)機(jī)整體噪聲下降的主要原因,具體表現(xiàn)為葉片耦合仿生設(shè)計(jì)降低了多翼離心風(fēng)機(jī)的寬頻噪聲和離散噪聲。

(4)基于魚類游動(dòng)的仿生特征結(jié)構(gòu),對(duì)葉片進(jìn)行仿生設(shè)計(jì)可以有效實(shí)現(xiàn)葉輪通道內(nèi)流動(dòng)控制,這也說明了對(duì)于水和空氣等黏性流體,在流動(dòng)參數(shù)差別不大的情況下,仿生設(shè)計(jì)可以跨介質(zhì)交叉應(yīng)用,并能取得理想的設(shè)計(jì)效果。