风机叶片表面分离涡与宽频噪声辐射特性的分析

采用大涡模拟结合噪声FW-H模型,计算分析了低马赫数下风机Clark-Y叶型的流场结构、叶型表面压力脉动特征以及宽频噪声特征,并对表面压力脉动与远场声压的频谱进行了对比.结果表明:叶片表面形成的分离涡涡束与叶片表面压力波谷存在关联,每处分离涡对应着一个表面压力波谷;分离涡声源的远场声辐射能力极小,叶片的宽频噪声主要来源于来流冲击前缘点形成的压力脉动和尾缘涡脱落产生的压力脉动,前缘点的声辐射能力高于尾缘区域的声辐射能力.     

基于流固耦合的风力机气动噪声影响研究

考虑风力机叶片与空气的流固耦合作用,基于ANSYS workbench工作平台,采用双向流固耦合的方法,模拟预测风力机的气动噪声,并与额定工况下的实验数据对比。结果发现:耦合作用下风力机气动噪声增大,且耦合模拟得到的气动噪声声压级与实验值更为接近,证明计算模型的准确性;风轮后的辐射声最大声压级在叶片径向0.57R~0.71R位置,风力机叶片与空气的流固耦合作用,增大了辐射声的声压级,而对于辐射声的传播规律影响很小;耦合作用下随尖速比的增加,相同位置气动噪声的声压级呈现缓慢增大的趋势,不同尖速比下气动噪声的声压级随轴向距离的增加变化规律大致相同,均呈不断减小的趋势。     

风力机叶尖区涡声分析及小翼对其的影响研究

文章对有无V型叶尖小翼的风力机尾迹流场进行了研究,重点对叶尖涡的产生与脱落、叶尖区域声辐射进行了分析。结果表明:风轮尾迹区分为主流区、中心尾迹区及叶尖涡诱导效应区;叶尖涡向下游有序流动,随着轴向距离的增加,叶尖涡向外扩展;声压脉动时均值的最大区域集中在风轮叶尖部位,叶尖区域噪声最大;加装V型小翼可以重整通过叶尖流场的气流,使叶尖涡的产生推迟、脱落提前,总声压级降低;数值模拟无小翼时,所选观测点频谱图中声压级总体处于50~70 dB,加装V型小翼后,频谱图中声压级处于45~65 dB,降低效果较明显。实验得到该点V型小翼风轮总声压级为82 dB,比无小翼风轮减少4 dB;风轮辐射声总声压级随着测点向风轮下游移动逐渐衰减,加装V型小翼后总声压级降低,降幅在1~5 dB。     

动态入流下风力机近尾迹气动噪声研究

基于自然风非定常性,结合某S翼型水平轴风力机实际运行条件拟合出3种动态入流函数,建立不同入流下的非稳态计算模型,研究动态入流对尾迹气动噪声和叶片压力脉动的影响。结果表明：各动态入流下各倍频声压级均高于恒定入流,大小规律表现为：扰动入流>渐变入流>阵风入流>恒定入流;动态入流对声压级的敏感性随倍频阶数增大而增强;沿轴向动态入流与恒定入流声压级差值逐渐增大;阵风入流、渐变入流和扰动入流的压力脉动峰值依次增大,这也是声压级产生相同大小规律的原因。通过分析入流情况对叶片声场分布和变化规律影响研究,对未来大型叶片噪声评估和降噪设计提供一定的理论和参考依据。     

仿生叶片在离心风机上应用的数值分析

为了探究仿生叶片对离心风机气动性能、流场和声场的影响,将波形前缘、锯齿尾缘和表面凹坑3种仿生结构应用在离心风机叶片上,并对其流动和噪声辐射进行了数值计算.结果表明:表面凹坑结构抑制了叶片吸力面上的分离流,提升了离心风机的全压和效率,但蜗壳壁面附近的压力脉动幅值增大,最终使噪声不降反增0.85 dB;锯齿尾缘型风机虽然做功能力下降,但依然保持高效率,叶轮内流动状况改善,压力脉动明显削弱,总声压级平均下降5.04 dB;波形前缘型风机气动性能与原型相比略有提升但相差不大,整体降噪3.14 dB.     

离心泵仿生叶片的降噪特性研究

采用仿生学思维对离心泵叶片出口进行仿生改造,结合CFD和噪声计算对设计工况下的流场和声场信息进行对比分析,用数值模拟方法验证其结构改进后的降噪效果。计算结果表明：采用仿生结构叶片能够有效的降低隔舌、蜗壳出口和叶轮流道内的湍流脉动强度,同时使流场中的涡结构尺度减小,控制流场中涡结构的分布范围,降低了离心泵内噪声源强度,达到降低噪声的目的。原模型和仿生叶片模型的压力脉动特征频率均为叶频及其低阶倍频,仿生叶片模型在各监测位置的压力脉动均比原模型有明显的降低;仿生叶片使各监测点噪声源强度降低,其出口3倍管径处的降噪效果最佳,总声压级下降3.62 dB,降噪率为3.20%;在隔舌处的总声压级下降1.15 dB,降噪率为0.67%,总体降噪率在0.67%～3.20%,达到了降噪的目的。     

基于叶片弯振后风轮尾迹流动及气动噪声研究

基于动网格技术,通过编写UDF代码成功实现了叶片的一阶弯振及一二阶叠加弯振。数值模拟过程中,采用大涡模拟(LES)分析刚性叶片与低阶弯振后风轮近尾迹速度与涡量特征。运用FW-H方程,以风轮表面为声源面,通过选取不同测试线上的监测点分析叶片不同运动状态下辐射声频谱及声压级变化。研究结果表明:施加振动后,在0.71R处出现轴向速度亏损,且在叶尖位置亏损最大;振动风轮整体噪声增大。文章通过研究模拟振动风轮的尾迹流动和噪声分析,为实际运行的风力机产生的气动噪声及声辐射传播特性提供一定参考。     

刨根波齿前缘叶片降噪机理特性研究

为了减小叶片压力脉动,降低叶片自噪声的产生,采用大涡模拟(LES)与FW-H混合方法,对雷诺数为2×10~5、攻角为5°下的叶片进行数值模拟,研究刨根波齿前缘叶片降噪机理,分析了刨根波齿前缘叶片的瞬态流场与声场特性。结果表明:刨根波齿前缘叶片在前缘处加速了流体流动速度,能更好地调控流场减小分离涡;叶片的尾迹涡厚度变薄,并随着挤压和拉伸,大尺度涡破碎成小尺度涡,涡系结构更加紧致;刨根波齿前缘结构降低了叶片表面的压力脉动,且具有良好的降噪效果,在中低频呈现出宽频特性,总声压级最大可降低9 dB。     

塔架对风轮旋转过程中声场及流场的影响探究

基于压力脉动与声压之间的关系,利用Fluent数值模拟平台对风力机旋转过程中整机和单转子的声场和流场进行分析。对比2种模型的最大声压级位置,发现由于塔架的介入,整个模型的声场落后于流场约30°。分析塔旁y轴负向测点处压力脉动与声压级第1个峰值对应的方位角,结果发现在y/R=0.14、y/R=0.42、y/R=0.71与y/R=1时声压级（SPL）分别落后于压力脉动22°、5°、9°与18°。分析风力机旋转过程中两种模型塔附近监测点的声压级与压力脉动的变化趋势,结果表明：声压级振幅沿展向先增大后减小,在y/R=0.71处达到最大值;同样,在y/R=0.71时压力波动幅度最大。     

阵风入流下翼型凹变对风力机气动噪声影响研究

基于自然风非稳定性的特点，依据风力机各项参数拟合出阵风函数，对某S翼型水平轴风力机进行三维非稳态数值计算和试验，研究阵风入流和稳定入流下翼型凹变对尾迹辐射声频谱、声辐射传播和尾迹涡量耗散的影响。结果表明：翼型凹变可有效降低尾迹气动噪声，其基频及倍频声压级明显低于原始叶片；随着轴向距离增加，翼型凹变叶片降噪效果逐渐增大，在轴向500 mm处声压级最大降低3.6 dB，且阵风入流下翼型凹变降噪效果大于稳定入流。同时，翼型凹变叶片尾迹涡量明显降低，验证了翼型凹变降噪的有效性。     

叶轮出口直径对离心泵流动诱导噪声影响的数值模拟

针对离心泵内部非定常流动及其诱导的辐射噪声,本研究采用带滑移网格的大涡模拟技术计算了泵壳内部的压力脉动和叶轮上的径向力,并结合有限元声振耦合方法研究了叶轮出口直径对离心泵水力性能、压力脉动、非定常力和流动诱导噪声辐射的影响。计算结果表明:叶轮出口直径从170 mm增大到174 mm,扬程提高了4.57%,而效率下降了2.08%;径向力也随着叶轮出口直径的增加而增大了41.4%;叶轮出口直径的增加也致使叶频及其谐频下的压力脉动幅值增加。泵体外部声场声压级在二阶叶频下明显高于其它频率;随着叶轮出口直径的增加,外部辐射声场指向性不变,但声压级会随之增大。     

竖井贯流泵装置压力脉动数值分析

为深入研究竖井贯流泵站机组振动产生的机理,以国内某大型竖井贯流泵站泵装置模型为例,基于ANSYS-CFX商用数值模拟软件,在不同工况下利用N-S方程和标准κ-ε方程模型分别计算全流道三维非定常湍流。结果表明,采样频率影响压力脉动特性预测、泵装置内压力脉动的主频率为叶片通过频率、在各工况下叶轮进口压力脉动从轮毂到轮缘逐渐增大、运行工况偏离设计工况时脉动幅度变大、水泵叶轮进口前的压力脉动沿轴向向前至0.5倍转轮直径处消失。通过对比泵站模型试验结果与数值模拟结果,验证了本文数值模拟结果的有效性。     

S型叶尖对风力机气动噪声的影响研究

运用延迟分离涡模拟(DDES)对传统直叶尖风轮和S型叶尖风轮尾迹流场声场进行研究,重点对风轮输出功率、叶尖区域声辐射进行了分析。结果表明:S型叶尖风轮输出功率提高;所选观测点上S型叶尖风轮总声压级为96.12 d B,比传统直叶尖风轮减少2 d B;S型叶尖频谱图中声压级总体处于20~40 d B,比传统直叶尖低10 d B左右,声压级降低效果比较明显;风轮辐射声总声压级随着测点距离远离风轮逐渐衰减,S型叶尖风轮的总声压级比传统叶尖风轮低,降幅在1~8 d B;相对于传统直叶尖风轮,S型叶尖风轮在4条所选观测线上总声压级降低幅度分别增大了22.0%,24.6%,29.6%,46.0%。沿着半径增大方向,S型叶尖的总声压级的降低幅度要大于传统直叶尖,辐射声降低效果明显。DES方法对于风力机流场声场的模拟计算是可行的。     

狭缝高度对叶片气动噪声的影响

针对叶片的自噪声产生机理,以刨根波齿为对象,采用LES与FW-H混合方法研究狭缝高度对气动噪声的影响。获得雷诺数为2×10~5、0°攻角下叶片非定常流动及声场特性。数值结果表明:随着狭缝高度增大,增强叶片近壁面上的压力脉动,相对刨根高度为33%时压力脉动最小,尤其在波谷处的变化最为明显。总声压级随之增大,在相对狭缝高度33%时总声压级最低,在弦线方向的噪声最低可达8 dB,其他方向噪声也可降低2 dB以上。     

叶片锯齿前缘控制流动分离的数值研究

针对锯齿前缘结构调控叶片近壁面流场特性,以NACA0018叶片为对象,采用大涡模拟方法研究不同锯齿前缘结构对叶片近壁面流场的影响机制。获得了来流速度为30 m·s^-1、雷诺数为513 440、0°攻角下叶片近壁面流场分布特性。分析了锯齿前缘和叶片前缘和尾缘处压力脉动及分离涡的影响。数值结果表明：对正弦波齿而言,随着振幅的增大,在波谷处的小涡开始向前缘移动,整体上小尺度涡增多,前缘近壁面压力脉动增大,尾缘近壁面压力脉动减小;对叠加波形齿而言,尾迹涡进一步破碎,厚度变薄,叶片表面出现破碎的小尺度涡,在尾缘处叶片压力脉动幅值下降最为明显,且未出现明显的窄带尖峰。     

高压比离心压气机气动噪声数值预测

采用混合计算气动声学方法研究了高压比离心压气机气动噪声,首先计算了压气机非定常流动,获取了声源面上的时域脉动压力,进而通过间接声学边界元法(IBEM)预测了压气机气动噪声,并在增压器性能试验台上完成了相应的噪声测试.结果表明:压气机气动噪声主要由叶片通过频率及其倍频出现的离散单音噪声与宽频噪声组成,且总声压级由离散单音噪声决定;对比计算和试验得到的监测点声压级频谱可以看出二者基本吻合,说明数值仿真具有较高的精确度,使用的仿真方法可应用于高压比离心压气机的噪声预测;压气机气动噪声自进气管口向外辐射时,声压级分布并不均匀;且受频率影响,不同频率噪声的传播能力存在明显差异.     

分流叶片对离心泵非定常空化流动特性影响分析

采用ANSYS(有限元分析)软件,对有/无分流叶片的离心泵流道内的空化流动进行定常及非定常的数值模拟,分析分流叶片对离心泵空化性能的影响,同时对叶轮进出口以及蜗壳内的压力场进行监测,得到空化条件下的压力脉动规律。结果表明:添加分流叶片后,泵的空化性能提高,临界空化余量减小。随着空化余量NPSHA的不断下降,空化所诱导的压力脉动逐渐加剧,其中以泵隔舌处的压力脉动最为明显。有/无分流叶片离心泵内压力脉动主要发生在叶频及其谐波位置。添加分流叶片后,离心泵内的压力脉动得到明显改善。     

基于ARMA模型的变压器噪声逆向还原实验研究

基于声辐射理论和激光测振原理，通过实验测量干式变压器模型的表面振速和辐射噪声声压，分别采用表面振速法和频响函数法求得变压器的声辐射指数。在此基础上，采用自回归滑动平均（ARMA）模型开展变压器噪声逆向还原研究，获取声压与声压级预测值，并与实验值进行对比。结果表明：采用频响函数法得到的声辐射指数比采用表面振速法得到的约大1.0 ～ 1.5 dB；采用基于ARMA模型的噪声预测算法得到的声压与实验得到的声压约相差0.015 Pa，声压级约相差1 dB；利用基于ARMA模型的预测算法和激光测振原理进行噪声逆向还原具有较好的可行性，且可推广应用于其他结构辐射噪声的预测。     

扰动入流对风力机叶片流场及输出功率的影响分析

基于漩涡法与实验条件修正入流条件,结合延迟分离涡湍流模型,对水平轴风力机气动特性进行数值模拟。分析风力机压力系数、截面涡量和功率特性,并与均匀入流和实验数据对比。研究表明,修正的扰动入流对风力机叶片叶根处截面压力系数的影响比均匀入流更大,但随翼展方向趋于一致;扰动致使在叶片0.57~0.71 R处产生更大的涡量损失,小于额定尖速比时输出功率更接近实验值。基于漩涡法的风力机气动特性模拟方案,可更有效地应用于风力发电预测研究。     

叶片前缘开缝对离心风机气动及噪声的影响研究

将前缘缝翼思想运用到离心风机中,研究了叶片前缘开缝设计参数对离心风机内部流场及其声辐射的影响规律。研究表明:叶片前缘开缝使气流通过狭缝得到加速,抑制后叶片吸力面边界层分离;同时,开缝设计使叶轮内部压力脉动明显减弱,降低离心风机气动噪声源强度,存在最佳开缝参数组合使离心风机流动与降噪效果达到最佳;设计工况下,当开缝位置L/C=0.30,前叶偏转角θ=4°,且前、后叶片最大相对厚度相等时,离心风机全压提高7%,效率提高2%,其远场噪声各测点总声压级平均下降3.5 dB。