周向弯曲叶片结构参数对动静干涉级间非定常流动及气动噪声的影响研究

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在叶轮机械中,当多级动静叶排存在时,会产生大量静动/动静间的相互干涉流动现象。这种干涉流动对气动-声学性能会有着明显影响,受到越来越多的科研人员的关注。叶排间的干涉噪声作为多级叶轮机械中主要气动噪声源之一,其噪声的强弱对叶轮机械的声学性能有着重要影响,所以采用合理方法有效降低这种干涉噪声已成为气动声学领域的研究热点。  通过叶片弯掠技术来控制叶轮机械的内部流动,提高气动-声学性能的方法显示出良好的应用前景。理论与实验研究均表明弯掠叶片能够降低流动损失,提高气动效率并降低气动噪声。  本课题开展了弯掠动、静叶片干涉流动的非定常流动及气动噪声的系统性研究,采用不同周向弯曲的动、静叶叶轮所组成的单级轴流风扇系统作为研究对象,搭建气动-声学测试实验装置,对不同周向弯曲动、静叶组合时的风扇系统的气动-声学特性进行实验测量,并重点分析当改变叶片周向弯曲角度时,风扇气动性能及干涉噪声的变化特点,并结合计算流体力学数值模拟,从理论上分析气动性能变化的原因。  对重点研究的动静干涉非定常流动现象,采用流场测量与数值模拟相结合的手段。利用粒子图像测速仪(PIV)系统对动静干涉的流动区域进行速度场测量,通过锁相技术分析动叶在不同相位时,干涉流动区域的速度场变化。采用经过实验验证的数值模拟对动静干涉流动进行深入分析,采用数值模拟的结果更为详尽地研究不同周向弯曲动叶的尾迹及叶顶泄漏流的运动特点及传播规律,及动、静叶片进行周向弯曲设计后,干涉流场的非定常流动变化。  动静干涉气动噪声的产生机理主要是上游动叶的速度亏损与下游静叶间的相互干涉产生静叶表面的非定常压力波动。采用高频动态压力传感器测量不同周向弯曲角度的动、静叶组合时,静叶表面的非定常压力波动。通过信号处理方法,研究归纳叶片周向弯曲角度变化后的压力波动的幅值及相位沿叶展方向与弦向的分布变化规律。  基于动静干涉流场的非定常数值计算结果,并结合傅里叶频域变换,采用Ffowes Williams-Hawkings频域方程对动静干涉偶极子噪声源进行理论分析。以叶片表面噪声源强度入手,从压力波动的幅值和相位两方面探讨叶片在不同周向弯曲角度时对干涉噪声所产生的影响,并初步建立点源阵列模型分析相位对声源强度的影响。  在干涉噪声的传播过程中,当存在机匣等固壁时,会对声场分布产生明显影响。本文结合基于自由场假设的Ffowes Williams-Hawkings频域方程,建立了存在固壁边界的FW-H/BEM声学混合计算方法,并预测噪声在管道内外的传播特性,并与实验数据对比以验证模型的正确性。通过声类比方法和混合方法的对比表明,声学混合计算方法对存在固壁边界时的声学预测更为准确。
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