振动特性外文翻译

1、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

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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

8、个轴流式风机的结构设计有如下特征：外部半径 =187.5mm 内部半径 =85mm 相隔错开角度为° 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 1.3。 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

9、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2D Dantec 55R51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CTA v3.4，如图2和图3显示的实验设备。根据ISO58

10、01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，风机的转角如(图4)。测量得到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

11、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推算， 为空气的密度， 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

12、。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（）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

13、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

14、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( ，)、（， ）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

15、，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

16、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)125801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

17、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约束条件获得。而出口边界条件由大气压力条件决定。估算定义域的单元格总数在400万左右。这相当于该域有近3200万单元但无周期性的边界条件。这些网格尺寸非常狭小，大约在1mm左右，接近于叶片壁

18、条件，且在远离风扇的地方越渐越大。如图7，表述了一给定风扇的网格。图8。该试验台的颜色与速度大小(米/秒)相对。(对于图册的对照解释，读者需参考本文的网络版。) 图、9 对于三种不同风机的实验及模型数据仿真结果的比较（对于图册的对照解释，读者需参考本文的网络版。) 图8展示了利用两种不同颜色代表不同速率的路线。将箱体网格平均化，根据ISO 5801标准，控制风机壳体上游入口处的流速保持恒定。在空气吸入风扇之前，此处的速率接近于0 m/s。该型风机在名义流量下，由于高速流体的离心作用，流向下游的径向速度具有很高的速率。之后，流速处于较高位置时，径向速度随着轴向速度的增加而降低。3.2 湍流模型

19、雷诺湍流应力模型包括了独立的雷诺应力变量元，利用不同的换算方程。雷诺应力模型是雷诺平均纳维尔斯托克斯方程的二介最终式，可用来求解雷诺应力变量六元方程组。可以表示湍流对平均流量的影响。单独的雷诺应力元有时也用于雷诺平均动量方程的最终获得。准确的雷诺应力事实上可以利用雷诺动量方程推导换算获得。受波动性影响的多元动量方程的过程中，效果就可以被雷诺平均化。这样的模型自然受包括流线曲率，及瞬时变化的二次运动和应变速率的影响，但他们与一介封闭模型相比其复杂程度和计算量都明显的增加了。风机的雷诺应力变量14定义如：风机湍流动能14定义如收敛性判定准则是其12个方程余项减小到(连续性方程、速度v、系数及，和6

20、个雷诺压力变量元)。通过热线技术，在风机下游风口处速度和雷诺应力张量可在同一平面中计算。4、结果和讨论4.1 总体特性 如图9所示，压力和流量是相对上升的。我们可以看出利用数值模拟的雷诺应力结果与实验所获得的结果是非常贴近的，尤其是名义流量的值。在收敛性模拟仿真时，在高流量的二次流处会导致一定的误差计算存在。在分析风机径向名义速率时采用五级速比，由于面临巨大的二次流且风叶和管道处很难收敛产生的气体的脱离，所以当流速很低时，可以忽略不计。蓝色的线条为第二组前处理结果（G2for）利用雷诺均值模型估算的结果，其压力上升曲线低于第二组径向（G2rad）的值。此外，第二组后处理结果（G2back）的性

21、能(绿色曲线)非常接近第二组径向（G2rad）的值。 图10所示为静态效率。从中可看出，实验与模拟估算值之间的最大差值仅为6% 。第二组前处理值（G2for）的名义流量值=0.223 低于径向值（G2rad）=0.248。G2for的最高效率低于G2rad的最高效率。至于G2back（=0.247），其最大效率基本等于G2for，但其却具有更大的流量，如图12。G2rad的最大静态效率较高且优于G2for的速率，同时，其压力更高。总的来看，建立的这个模型是有效的，且我们利用数值进行模拟的结果可与实验的数据相媲美。图11 我们知道，风机的扫尾是用来提高其声学特性的，但是空气动力特性却是有很大的不

22、同，这里前缘扫尾降低了其效率。在另一风扇叶片受较大负载如图15所示的地方时，尾缘可增加机械效率。图15风机被设计为能够承受更大载荷，尤其在鼻尖处。一个具有前扫的风机，在其叶片前端受载时，似乎是可以提高风机的效率。但是，一个具有前扫且载荷沿径向伸展的叶片却降低了效率。尾缘的影响还受风机的其它几何参数的影响。图.124.2下游速度 风机下游的速度剖面图是依靠雷诺应力模型计算仿真估算与对三个风机（如图示）进行热线探测技术测得的结果作了对比的结论。实验和拟流量是在表1的定义下进行的。第二组前扫的结果如图11所示。第二组径向的结果和第二组后侧的结果类似，故可采用相同的评价。模拟估算所得的剖面形状与通过实

23、验所得的流速剖面结果相当吻合。轮毂处仿真和实验测量之间的流量效率差异与设计的量是接近的。这因为速度的平均角与其它辐射状的风机的设计是很不一样的。这些差异处于1.3倍的流量效率的时候，差异会消失，这从侧面说明探测器的位置对测量的准确性是非常重要的。当辐射组元在较高的流速的1.3倍时的差异(图11示)。当第二组前扫在此流量径向速度分量水平很低（处于2-1m/s），因为前部扫尾减少这个速度分量（如图12），,高流量径向速度分量也随之减少。在非常低的速度时，准确的测量可以解释这些不符之处。考虑到过程的测量精度，以上比较只为两种流速提供了一个良好的轴向和切向的协议，以及名义流量上的径向数据。将用标准体积

24、测量的流速和依靠热线探测技术计算出来的流速进行比较只是为了验证测量的过程，其差距仅为不到2% 。因而，综上过程可得的第一个结论是，三个要素中没有一个要素对速度而言是可以忽略不计，风机下游流场完全是三维的。当流量增加时，轴向分量的速度是增加的，而径向的是减少的。切向速度仍然是相等的，但其空间分布已发生了变化。平均速度的类型和水平对于模拟数值与测量结果之间保持了很好的一致性。此外，我们可以看出测量的结果始终是稍稍高于计算所得的数值，这个可以用测量法的过程来解释。因为在使用二维探测时，对于每个探测位置的部分速度组元的冷却缆线被忽略掉了，所以其它两组测量结果稍稍高于它们的真实值，且这两组速度分量也总是

25、稍稍高于第三组的分量。图11所示即为轮毂附近的处于的后流场，但是在1.3倍的时候就会消失。图12显示了三个风机的平均流速剖面图。三个风机速场的主要不同就在于他们的径向分量上。通过前扫的减少和后扫的增加，与其它相比，前扫降低了径向组元的效率至1.3。可以看到，轮毂扫尾在1.3附近有一个小的回流，但是在1.3处却又消失了。三个风机的切向速度是相近的，但是第二组径向有更大的切向速度。这是和第二组径向速度性能一致的(见4.1）。4.3雷诺应力张量 在这部分方程式（4）中，通过比较测量得到的雷诺应力张量和雷诺平均估算的值，可得到处于两种流速状态（表1）下的第二组前扫的雷诺应力张量的六个分量（如图13所示

26、）。 可以看到三个区域：对于交叉分量和对角分量而言，在顶部和轮毂处的应力张量是最高的，中间跨度部位的微量可忽略不计。所有的组元都是不同的，在这样的状况下湍流显现出完全的无向性。湍流无向性的假设是不可以通过涡轮机械中旋转空间和表面曲线组成的三维流场来表达的。雷诺应力模型的精度明显高于类似k -或则k -的一阶封闭模式。当预测的对角线组件是一致的时，交叉元上总会有一些的差异。交叉组元的值一般较低，与较高的平均速度相比测量这种高速膨胀的单元式非常困难的。一个更高的水平的表达式为对角线的组件。更高的流量提高轮毂中心附近的紊乱，减少第二组顶端附近的现象。仿真可以预测三个区域之间的差异，但是一般低于应用雷

27、诺应力模型估算的结果。 图14所示的为三个风机的雷诺应力模型组元的比较。其形状曲线非常接近三个风机本身，因为在轮毂附近的对角组件的值更高于顶端附近。第二组尾缘产生的能量更强且更靠近中心和顶端附近。除了顶部的V-V向应力部分，径向和前向的应力是接近的。此时，径向的组产生更多的能量。U-U和W-W向的应力达到了2.5，几乎是V-V向应力部分的最大控制压力两倍的水平。除了靠近轮毂的U-W向德1的水平外，其它交叉元的应力是微不足道的。 比较湍流产生的动能是比较有趣的，雷诺应力模型中的k（方程5）经常用于涡轮机械中的估算。如图15所示的为第二组前向和轴向的出风口下游剖面系数k的两种不同的湍流模型。热线探

28、测技术所获得的结果事实上也是差不多的。与轮毂附近的应力而不是超过k-模型的水平而言，雷诺应力模型的结果是与实验的结果非常接近。这样就说明k -的推断对于流动结构是不充分的。 4.4利用CFD方法所得结论 为了理解流场支流相关的现象，此处采用的更多的CFD方法所得的结果是十分有趣的。图16. 在效率时的k()与风机下游风口速度分量（这幅图例中颜色的意义参考本文网络版中的相关说明。） 图16为在效率时的k轮廓线及轴向、径向以及切向速度。从风机的半剖图可看到，在风机的下游出风口处它们呈现平行状态。考虑到系数k，所有表层的水平基本上处于1 m/s，且我们可以清楚的看到在靠近轮毂与顶端时的高水平的位置。

29、靠近轮毂的具有最强逆流的径向组元同样也具有最高的k值。由于靠近顶部，第二组前向在这一区域边缘具有最高的等级。轴向速度的轮廓曲线表明了轮毂与顶端部分的回流。红色面积区域的代表叶片轴向的高级别阻力，在此流速（）下径向值最高，几乎与轴向组元的等级相当。对于前向与径向，在靠近前缘的小块区域面积内的径向速度值处于较高水平。而后缘几何结构取消了此处面积，且我们可看到一个光滑的放射状组成部分。从逻辑上讲，切向组件沿着轮毂到顶端距离而增加，但在所有的配置中，在靠近顶端处有稍稍的减少。图17。湍流表面状况国际化的动量表示(、蓝色=0.05、绿色=1、橙色=4)。（这幅图例中颜色的意义参考本文网络版中的相关说明。

30、） 在图17中，三个不同的表面上的k系数表示在风机周围。此处选择了低级别的0.05 m/s是因为它存在于所有区域，以及风机的上下游风口。中等级别的1 m/s是风机旋转而产生的，更接近与轮毂和顶端，如4.3部分。高水平级别的4 m/s产生在护罩部位，即叶轮顶间隙和轮毂尾缘。湍流动能的扩展遵循流场的方向，在径向处和轴向1.3处。对于三种尾缘而言，在处产生的湍流动能似乎要高于1.3，但传播的距离较短且更多的呈现放射状。对于第二组径向处的产生的湍流动能，在顶端附近似乎要低于其它两种尾缘。靠近轮毂与远离顶端的湍流动力学能量增加，并对于前向组元产生另外一个较高的k系数。这是两个流动速率对比发现的结果。5、

31、结论 为了获取风机产生的湍流参数状况尤其是雷诺应力张量在径向所产生的差异，可以通过对三个不同涡场结构的风机的湍流模型进行雷诺斯托克斯方程数值模拟的比较来获得。这三个风机采用三种不同的扫尾结构，并处于相同的试验条件和数值下进行模拟研究。他们清楚地表明了扫尾对三维流场的空气动力学特性的影响。在两种不同流速下，观测到三个风机的方向上的一个非均质性特征。该研究表明，除了轴向和切向速度的测量，在径向假设经常发生错误的涡轮机械领域里，径向组成部分的速度也必须采集。结果表明，可以通过一些优化的空间关系方程式预测湍流模型。但预测的水平仍有一些有待发展的地方。此外，研究还表明利用雷诺应力模型预测的结果比通过一介的雷诺-纳维尔-斯托克斯方程计算的值更优化一些。湍流动量是预测研究辐射噪声的一种非常重要的有效的数据预测流体力学方法。前扫倾向与减少辐射组元的速度，而后尾却呈现增加的趋势。扫尾的结构需仔细选取，其取决于风机的冷却方式。在我们一个有关汽车发动机的例子中，径向速度对于冷却发动机缸体非常有