振动特性外文翻译

流量测量和仪表利用实验和数值研究尾缘形状对三维轴流风机出风口气体流动的影响文章信息：文章来历接收2009年3月15日修订2009年8月13日收录2010年2月5号关键词:轴流风机尾缘热线技术雷诺应力模型摘要：本文的主要目的是研究轴流风机尾缘结构对风机出风口湍流流动的影响。本文研究的风机主要为三个低气压且低马赫的轴流式风机，分别为径向，向前和向后扫描三种不同的叶轮结构。本文采用了实验和计算流体动力学（CFD）方法对三个风扇进行了研究，并对结果进行了相应的比较。该方法是一个用三维（3D）的雷诺平均方程和纳维斯托克斯方程与雷诺应力模型作为湍流模型（RSM）的数值模拟方法。它使我们能够计算出雷诺应力张量的分量。不平稳速度的测量可利用风扇下游的热线技术来测定，并对三个速度组分量与从利用实验和模型得到的雷诺兹应力张量的六个组分的值进行比较。同时，此现象还用于验证设计和风扇模型的正确性。由此最终得到，前缘减少了组元径向的速度，而尾缘则增加了这部分的速度。此外，尾缘对风扇下游湍流的动量有重要影响作用。引言：涡轮机械中流体的流动情况非常复杂。他们的共同特征是三维的、粘性的和不稳定的特征。几何特点及运行情况对涡轮机械中的流体流动也有重大的影响。不稳定的气动力现象常常是出现在空气动力性数值减少的情况下，而且它们也是产生噪声和驰振现象的原因。因此非稳态流在对轴流风机进行调查的时候是一个重要的课题内容。对于那些复杂的流动研究，可利用不同的紊流模型进行数值模拟。计算流体动力学(CFD)工具可使那些用纳维尔斯托克斯方程的无法给出的不稳定气动特性的流动特性问题得以解决。而且，利用直接数值模拟或大涡模拟方法对于像涡轮机械这样复杂的几何流体力学工业中的代价是非常昂贵的。本文的目的是为了确定蜗舌对风机尾缘的下游速度分量的影响。这些不稳定部件可以分为确定性的和随机性的两部分。确定性部分为叶片通道频率及其倍频的离散成分。它由转子叶片及其环境之间的周期性的不稳定的作用力而产生。随机性部分主要是由于在旋转的叶片翼周围存在紊乱流场，因而促使所有的频率超过了5到20万赫兹的频带范围。本文提出了一种初步的噪音预测方法的研究。且将湍流产生的动能作为噪声预测模型的输入[1，2]。雷诺应力模型的湍流模块能够使我们精准的计算湍流流动所具有的动量(4.3部分)。本文以汽车冷却系统中的轴流式风机作为个案进行研究。因为它们常常受较差的流入条件所牵制。正由于这个流入状况产生了周期性的和随机性的力，导致了一定音频和带宽的噪音。此外，由于叶片表面上的湍流边界层的交互作用与尾缘的作用产生的波动不平的力使得风机产生了宽频的独立噪音。使用对降噪叶片扫尾对降低噪声似乎是有效的。汉森[3]主要研究了通过取消产生噪声的所处不同径向相位的位置降低叶片的噪声音调的问题。他还研究叶片对叶片的相互干扰。通过他的研究结果，可以看到大角度的叶尾对于叶片之间的作用是非常有利的，尤其对于低速转子，与亚拉巴马州的夫卡诺[4]、科明斯[5]等人的研究是类似的。此外，夫基塔[6]的实验表明，合理数值的尾缘对降低噪声也相当的有利。值得一提的是，艾维亚[7]与卡尔森[8]的研究工作似乎还为选择叶片尾缘角度的分布提供了理论依据。该理论对降低湍流因素所产生的噪声的降低有明显的影响。将之应用于低速轴流风机的前后尾缘，不但改变了噪声源的空间分布,也使得它们不会在刀片半径范围内同时产生。这样产生相位变换变为沿翼展方向上的的压力和速度分量和在的破坏性或建设性的结果之间的干扰，从而对辐射噪声进行修改。有关空气动力和车内的声学特性的具有叶片尾缘的轴流式风机的完整的文献在参考书目[9]中有具体分析。雷诺纳维尔数值模拟稳定和不稳定的加载在叶片的力和福克斯威廉霍金姆斯的构想可以用来辅助声调部分音谱[10]所聚集的叶轮。为了空间的统一而非时间不稳定的流动，但是，雷诺纳维尔数值模拟作为宽频噪声预测的方法是行不通的。宽频噪声的预测来源的模拟数值需要高精度数值。亚拉巴马州的卡洛斯[11]曾利用热线技术获得为各种不同的流入配置使用的湍流静态数据库统计。这些结果被拿来与莱斯的模拟结果作为比较。莱斯预测LES的影响叶片波动动荡和风机噪声与其有利的实验相比较。莱斯莱斯模型不但工业耗能价格昂贵，而且不如雷诺纳维尔斯托克斯动量方程的计算更有用的[1，2]。第二部分提出了用实验装置来测量风机下游的三维不稳定速度分量。测量是通过热线技术测量风机下沿半径流体的通过量。分析动荡的波动数据，元件的速度紊动应力张量可用湍流动能来描述。然后模拟三种不同的风机(第三部分)的模型和计算。最后，其结果将在第四部分进行比较与分析。2、实验装置这项研究所采用的风机样为三个轴流式风机原型。其叶片按叶片伸展方向为三种不同方式的径向辐射状。如图1所示：表1三风机工作时的流动效率第一个风机模型所展示的为径向扫掠状结构（G2rad），第二个为向前旋转式扫掠状模型（G2for），而第三个为向后旋转式扫掠状模型（G2back）。对于第二和第三模型而言，其扫略模型为对称结构，但是其它的几何结构确实同样的，每一个风机都有八片风叶。三个轴流式风机的结构设计有如下特征：外部半径extR=187.5mm内部半径intR=85mm相隔错开角度为75°护罩的厚度为2.5mm转子建立在一根用细长的最大值厚度仅为55毫米的沿眉形线的NACA0065叶片上，在前缘和拖尾处以圆弧过渡，其旋转速度是45HZ。根据表1可知，对于所有测量的名义流动速率，三个风机的名义流动速率为1.3n。2.1试验设备在这项研究中，采用了连续温度测量技术(CTA)，因为它能够快速、精确的传递时间系列和宽带光谱信号。根据径向平衡的假说，轴流式风机应该是可以忽略二维流动和径向组件的绝对速度。但是这种情况很少，因为观察同心圆空气管之间的能量转移，对轴流式风机三维流场的描述还是需要的。同时，风机的主轴转动切向和径向分量的测量速度必须和之前估算的值进行对比。用一个2DDantec55R51的热纤维膜探测器测量分量部分的瞬时速度。可测量两不同角度的测量位置的物理值，以确定三个速度分量。因而，采用一个可旋转90度的轴探针进行测量。使用一个2D探针得到如同描述的完整的空间结构的流场，完整的测量系统由一个5H24探针点测的情况下，如果一个采用连续温度测量技术的每线最小CTA的54T30，一个标准的PCI6048-E型A/D，和一个转数表和一个能使抽样信号达到250千赫兹的触发器的相应软件CTAv3.4，如图2和图3显示的实验设备。根据ISO5801标准[12]设计和建造的空气试验台，能使空气流动速度在设计点的控制范围内，并且选择适当的孔板直径。在风机下游采用11等分分布的均匀径向间隔热线探测器定位点探测，离尾缘在中心10毫米处，风机的转角β如(图4)。测量得到β绝对角速度基本为中等转速。绝对速度角度依赖于风机机构和流量，所以每个风机测定值是不同的。此外，这个沿半径角度变化的结构如图3。在所有测量点中，以绝对转速适中的点为最佳参照。图.3图.4热线探测技术(CTA)系统以每1000样品中45千赫的频率取样。这些数据是由20批次的风机样本收集而来。2.2校准和不确定度分析校准建立在通过静压的探针装置测量的输出速度和流速之间的关系式，然后记录了其电压，即通过拟合点(E，U)代表传递函数被用来当转换数据记录在电压的效应。为了得到更好的精度，取介于1m/s到25m/s的速度值之间选择20个按对数分布的速度采集点，然后，利用软件计算四次多项式传递函数的值。在一个自由的空气装置之前和之后进行探测器校准，检测并控制其漂移量。校准的工作台由一种大容量的具有恒定压力和一个与外界大气相通的小孔组成。空气装置点的速度计算可用伯努里方程PV2推算，ρ为空气的密度，ΔΡ为装置内和大气的相对压力差。经过二十次校准之后得到的似乎重复性的误差与如下所示的两次失误相比就可以忽略不计了。第一是校准速度的测定：压力计的精度为1Pa，符合校准台精度的0.047m/s的精度要求。第二是四阶多项式估算与真实传递函数两者之间的区别。多项式曲线与实测点最大相对误差为3%，最低速度可达4m/s。最高速度误差大约为1%。例如，在20m/s的速度时，可接受的相对误差为3%；在速度为4m/s时，可接受相对误差为13%。2.3测量过程二维探测是为测量二维流场速度分量而专门设计的，因为速度分量实验需其速度元同时进行。测量三组分量的时候必须考虑到第三个项目的影响，以及涉及探针对流动的另一方向的放置。图4、图5显示了二维探针和风机坐标系统以及其线性位置。每线性分量彼此相互垂直，以便探测点（χ）每条线的之间角度相隔45°角。它们组成一个平行于（u，v）的X-wire阵列，作为探针轴(图5)指定的位置1、位置2。在一个异常紊乱的3D流场情况中，轴流式风机下游速度组元(与探针平面垂直)是很重要的。为了将其影响考虑在内，类似于三维感应器或四维感应已被探讨和并发展[13]。图5.位置1、2探测器的位置和与之相关的座标系统探测器的三维流动坐标系的特点在于它的速度元件(U，V，W)。为得到线性坐标（U1，U2）和副法线及位置1的W组件，得进行一定的测量。旋转后，再进行线性坐标（U1'，U2'）和位置2（如图5所示）处的V组件的测量。坐标（U1，U2，U1'，U2'）线性的依赖探头坐标（U，V，W），所以四个等式可以用从元件(U，V，W)和三个未知方程式(1)和(2)。在1和2位置处，组件与各独立速度分量W和V相一致。切向方向的分量使得测量有效的冷却速度(leffU1，leffU2)、（leffU1'，leffU2'）受到干扰。这些干扰因素主要是由于切向组元（U1，U2）、（U'1，U'2）相关的偏航角（k1，k2）和副法线倾斜因素（h1，h2）有关的W和V两分量。所以，前后的两线旋转三维流场的一般表达式是[13]直接二维测量过程忽略了切向速度分量的影响，其评估错误达15%。CTA软件提供了位置1处U和V的速度分量。然后，在位置2处，为U90部分和部分组件的优化设计提供了依据。组件U和U90应该是接近，所以组成部分在风机的坐标系统都是以瞬时速度(U，V，W)表现，可使用下列公式[13]：其中，Ca、Cr、Ct分别是风机的坐标系统中轴向、径向及切向分量的速度(图3)3、数值模拟进行三维模拟时需采用商业CFD有限元分析软件Fluent6.3。Fluent求解程序基于多个要素(如：立体、四面体、楔板、金字塔等)有限体积方法。利用前处理程序Gambit24策略进行结构化的，非结构化的、和混合的元素网格划分。由于风机叶片的几何形状的复杂性，以及非结构化的四面体网格的使用，定义了每个“结点”处速度、压力和焓的原始变量。通过直接积分二元函数直接获得守恒方程。此处，采用了一阶综合与通量离散的方法和隐式的求解策略。3.1几何和啮合为了比较预测结果与实验之间的差异，首先需要用CAD软件设计一个试验台。该试验台如图2和图3所示，包含了几乎全部的模拟数值。在图2中，我们可以看到符合国际标准(ISO)[12]5801的综合模型试验台，包括了风机的坐标位置。风机以每分钟2700的速度旋转，频率为45Hz/s。在实验的条件下，为达到合适的流量需采用不同孔径的板材。通过仿真和进口速度边界条件下对流量进行调节。该数学模型包含了三个领域的内容。风机根据壳体外的气流状况从大气中吸取空气。因此，进口边界应用条件主要根据模型进口的流量和外口的静压决定。造型专注于具有重要的细节测量和仿真结果，如内侧寸布和壳体之间间隙和及箱墙壁和入口节流板处的孔槽等。图.2该域的八分之一是依靠周期边界条件进行建模以减少估算次数。频率由围绕风扇转动轴确定(图6)。在该试验台的实验设置和护罩壳体壁之间存在一个按模型设定的4mm的间隙，三种不同的风机采用三不同的几何结构形状。图.6图7.风叶网格和优化后的风叶网格参数域边界条件如图6所示。蓝色、灰色,黄色和红色分别对应入口，墙壁，风扇接口和出口。试验壳体规模大小相等，但均对应转子呈周期性的旋转。因为马赫数(0.3)较低，所以速度可以由进口的边界