軸流風機內三維流場及進出口氣動噪聲的數值模擬

王妮妮，王琳，安春國，汪坤，李志遠，李俊，高明*

（1.山東電力工程咨詢院有限公司，濟南 250013；2.山東大學能源與動力工程學院，濟南 250061；3.安徽微威減震降噪技術研究院，安徽 桐城 231460）

引言

動葉可調軸流風機通過改變動葉安裝角可實現工況調節，適應性強且高效節能，已逐步成為大型火電廠送風機和引風機的主流選擇[1]。但其進出口的氣動噪聲嚴重影響了風機正常運行，惡化了人們的工作和生活環境，因此，研究動葉可調軸流風機的流場特性和噪聲規律具有重要的現實意義。

目前，主要通過數值模擬和實驗等方法進行動葉可調軸流風機的流場和聲場特性規律研究。李春曦[2]在LES大渦模擬的基礎上，結合以Lightlill聲類比為基礎的FW-H模型，模擬得到了安裝角異常時風機聲源強度分布和不同區域的氣動噪聲時頻特性，發現安裝角異常葉片增強了動葉區寬頻噪聲特性，分散了其他區域在低頻段的離散峰值。Liu[3]等研究軸流風機前置導流葉片的出口角對整體氣動性能的影響，發現在額定工況下，隨著出口角度的增加，風機的靜壓和效率先增加后降低，在模擬的出口角度范圍內，60°為最佳性能角度。

本文通過Fluent對動葉可調軸流風機的流動和噪聲進行數值模擬，引入波動方差的比率[7]總結壁面壓力脈動隨安裝角的變化規律[8]，為改進和開發高性能且低氣動噪聲的動葉可調軸流風機提供理論基礎。

1 數值模擬基礎

1.1 數值模擬模型

1.1.1 FW-H方程

FW-H方程可以準確描述流體與運動物體相互作用而產生的聲音問題[6、7]，其本質是把N-S方程整理成非齊次波動方程式：

式中：a0為聲音在空氣中的傳播速度（m/s）；為聲壓（Pa）；為控制面法向速度分量（m/s）；為流

1.1.2 Standard模型輸運方程

Standard模型作為穩態模擬的湍流模型，其具有穩定性、經濟性和較高的精度等優點[8]。其輸運方程如下：

1.2 數值模型驗證

表1給出五個風機額定工況點的出廠設計安裝角、流量和出口全壓數據。

表1 額定工況點出場設計值

對比五種工況出口全壓的模擬值與設計值驗證模型準確性，結果見圖1。

由圖1可看出，出口全壓的模擬值總是大于設計值，原因有：1）網格數量影響，在網格數量足夠大的情況下，模擬值會逼近設計值；2）Fluent模擬時進行了部分簡化假設，不能完全吻合實際情況。但模擬結果的趨勢與設計值一致，而且最大相對誤差約為3.7%，在允許范圍內[8]，因此可以保證該模型的準確性。

圖1 全壓值對比結果圖

1.3 模型網格劃分與驗證

動葉可調軸流風機的物理模型和網絡劃分結果分別如圖2、圖3所示。網格無關性驗證，如表2所示。

圖2 風機計算模型圖

圖3 風機網格系統圖

表2 網格獨立性分析

從表2可看出，隨著網格數量的增加，計算得到的出口全壓值越來越接近設計值，但對比550萬和600萬網格數量，兩者的模擬值差別基本可以忽略?？紤]到計算時間和成本，選用網格3的網格數量級進行后續的計算，而且該網格計算的相對誤差為4.1%，在合理的范圍內，可以保證計算模型的準確性。

2 流場和聲場模擬

2.1 流場模擬

2.1.1 穩態流場

根據上述邊界條件和穩態計算設置模擬了額定安裝角下風機的穩態流場，通過內部流線圖和葉片壓力云圖[11]定性驗證數值模擬邊界條件和參數設置正確性。

2.1.2 穩態計算設置

穩態計算時湍流模型設置為Standard模型，近壁面處理設置為標準壁面方程，由于本文不考慮溫度變化對氣動噪聲的影響，因此控制方程不開啟能量方程，僅考慮質量守恒和動量守恒方程；動葉輪區設置為多參考系模型[11]（Moving Reference Frame,MRF），可對獨立的計算區域指定不同的旋轉速度，但在計算過程中，MRF模型的計算區域之間網格不會發生相對運動，該模型僅適用于穩態計算，計算出的流場是充分發展的流場，采用MRF模型時，設置風機葉輪的轉速為990r/min；由于本模擬的介質假定為不可壓流體，采用壓力基隱式求解器[12]，選擇SIMPLE算法[13]來耦合壓力和速度，各項氣動性能的指標參數設置為二階迎風，當各計算殘差值小于給定標準1×10-5時，認為計算收斂。

2.1.3 額定工況的流場分析

根據上述邊界條件和穩態計算設置模擬了額定安裝角下風機的穩態流場，通過內部流線圖定性驗證數值模擬邊界條件和參數設置的正確性，圖4為風機整體流線分布。

圖4 風機整體流場流線圖

由圖4可知，氣流以直線流動的方式進入喇叭口；然后接觸動葉輪，通過葉片與氣流周期性作用產生升力，提高流體壓頭。氣流在葉輪內的速度沿葉高方向逐漸升高，該區域內的氣流速度最大；最后氣流經過靜葉片的導流作用，從紊亂趨于穩定，流動呈現較小范圍的螺旋狀[14]。

2.2 聲場模擬

基于流場的計算結果，Fluent通過計算時域積分和面積分求解FW-H方程以獲得風機進出口噪聲聲壓級隨安裝角的變化規律[2]。在距離進口面和出口面中心1m的水平位置設置噪聲監測點，如圖5所示。通過比較不同的噪聲源面對氣動噪聲的影響，最終選定機殼+葉輪為噪聲源面，如表3所示。

圖5 進出口測點

表3 不同聲源面的計算結果

2.3 進口和出口噪聲變化規律

隨著風機葉片安裝角的變化，風機進出口測點聲壓級變化規律如圖6所示。

圖6 進口和出口噪聲聲壓級變化曲線圖

由圖6可知，對于進口噪聲，△β由-12°偏轉到12°，聲壓級共增加了11.6dB，其中，△β從-12°偏轉到-8°時，聲壓級變化幅度最大，增加了3.4dB，占總變化值的29.3%。對于出口噪聲，△β從-12°偏轉到12°，聲壓級共增加了7.3dB，其中，△β從-12°變偏轉到-8°聲壓級變化幅度最大，增加了2.7dB，占總變化值的37%。

2.4 壁面壓力脈動規律

軸流風機氣動噪聲的產生與壁面和流體的相互作用力有關[7]，引入波動方差的比率CD總結壁面壓力脈動隨安裝角的變化規律。

式中：m為機殼、葉輪、輪轂上的監測點數量；n為采樣步數，即葉輪轉動一個流道的時間。

風機壁面壓力脈動率變化隨安裝角變化如圖7所示。

由圖7可知，壁面的壓力脈動程度逐漸增加，安裝角從△β=-12°偏轉到△β=-8°時，CD值變化幅度最大，說明聲壓級增加幅度最大。

圖7 風機壁面壓力脈動率變化隨安裝角變化的曲線圖

3 結論

基于Fluent數值模擬，分析了動葉可調軸流風機穩態流場的流線分布，總結了動葉可調軸流風機進出口噪聲和風機壁面壓力脈動率隨安裝角的變化規律。

（1）氣流受到動葉的升力作用后，在葉輪內的流速最大且沿葉高方向逐漸增加，而后經過靜葉片導流，流動趨于穩定并呈現較小范圍的螺旋狀。

（2）△β由-12°偏轉到12°，進出口噪聲聲壓分別增長了11.6dB和7.3dB，進出口噪聲均在△β從-12°偏轉到-8°時，聲壓級變化幅度最大，分別增加了3.4dB和2.7dB，其他工況下，安裝角每正向偏轉4°，進口噪聲聲壓級增加1～2dB，出口噪聲聲壓級增加0.5～1.5dB。

（3）壁面的壓力脈動程度隨安裝角的增大而逐漸增加，CD值在安裝角從△β-12°偏轉到△β-8°時變化幅度最大，說明聲壓級增加幅度最大，且CD值逐漸增加與聲壓級變化規律相符。

研究結果表明，動葉可調軸流風機進出口噪聲聲壓變化規律與壁面的壓力脈動隨安裝角變化規律一致，且聲壓級和壓力脈動均在安裝角從△β-12°偏轉到△β-8°時變化幅度最大，驗證了實驗結果的正確性。