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轴流风机压力脉动和瞬态流场的数值模拟
摘要:交错角度的异常调节使内部流场和压力脉动恶化，导致可变螺距轴流式风扇中的空气声学噪声和振动的增加。为了评估异常交错角的影响，使用非定常三维建模模拟了在交错角的正常和异常规则下的压力脉动和瞬态流场。通过从静压信号中提取特征来检验用于识别异常偏差的近似熵和样本熵的表征能力。结果表明，在交错角异常偏差后，静压的周期性和准周期性脉动分布明显受阻，异常偏差角对时域和频域压力分布的影响加剧。偏差度增加，导致压力波动强度增加。瞬态流场明显随时间和偏差程度而变化，并产生异常的高压区和低压区。近似熵和样本熵都可用于识别异常叶片偏差，但样本熵更适合于表征偏差度对叶轮和导叶出口静压的影响。
关键词: 可变螺距轴流风扇压力脉动；瞬态流场；近似熵；样本熵
1.引言
可变螺距轴流风扇具有多种固有的优点，包括紧凑的结构，宽的运行范围和在变负载条件下的高效率；因此，它广泛应用于许多工程中，例如能源，采矿，电力和运输领域。特别是，可变桨距轴流风机是现代大型发电机组中主风机，引风机和强制通风机的首选[1]。然而，在变负载过程中经常出现由机械故障引起的一个或多个旋转叶片的交错角异常，从而导致运行性能下降，振动和噪声加剧，甚至出现失速或停止[2]。这些故障包括由平衡部件的不精确组装引起的转子不平衡，与反馈装置中的备用螺栓的更深安装深度相关的齿轮套筒的差的滑动，叶柄轴承调节阻力的增加，由于飞灰进入轴承间隙，以及轴承失效或杠杆断裂导致齿轮套和调节杆之间的固定异常[2-4]。以往的研究表明，上述性能变化的重要原因之一是由交错角的异常偏差引起的非定常流场中的压力脉动的恶化[2-5]。因此，重要的是研究这种具有旋转叶片的风扇交错角异常时的压力脉动特性和内部瞬态动力学。
在实验和数值上已经实现了捕获内部流场和压力脉动的显着进步。关于内部流场，使用热线风速仪（HWA），陈等人[6] 对不同交错角度下变桨距轴流风机的流场进行了实验研究，评价了交错角度变化对叶轮进出口流动方式的影响;他们的结果表明，通过调节交错角可以改善性能和喘振裕度，而最大效率则降低到一定程度。同样，使用HWA技术，Ferna#39;ndez Oro等[7]测量了低速轴流风机在不同工况点的非定常流动结构，呈现尾流传输现象和定子-转子相互作用的潜在机制。张等人[8] 采用数值模拟了旋转失速条件下轴流风机的瞬态流场;结果表明，叶轮中存在停滞的气胞，其传播方向与叶轮的旋转方向相同，等效应力分布受离心力的影响很大。Nouri等人[9] 通过数值和实验检验了转子结构和相对轴向间距对反转轴流风机性能的影响。结果表明，提高转速比可以提高整体性能和稳定运行范围，增加轴向间距只会导致效率的小幅下降。使用稳定的建模方法，叶和李[10-11] 模拟了单个和多个旋转叶片异常交错角对轴流风机气动性能和气动声学的影响；他们的结果表明，空气动力学和声学性能都趋于恶化，异常叶片数量对效率的影响比总压力上升更明显。瞬态流场的变化不可避免地伴随着压力脉动的改变。平和田等人[12] 对没有任何外壳的开放空间中的简单横流叶轮的旋转平叶面上的不稳定压力进行了实验研究。Funaki等[13]揭示了基本螺旋桨风扇的3D叶片表面上的微小波动压力特征，并基于时间平均压力和压力波动强度示出了叶片上的空间分布。Hurault等[14]测试了汽车冷却风扇中稳定和不稳定表面压能波动频谱，使用包含雷诺应力模型和半经验气动声学模型的三维雷诺平均Navier-Stokes（RANS）方程预测了表面压力函数;他们的结果表明，使用半经验模型模拟的表面压能波动频谱水平在100至2000 Hz的低频范围内时估计值偏低，但在2-10 kHz的高频范围内非常一致。最近的研究表明，大涡模拟（LES）方法是准确预测瞬态流场高度不稳定特征的有效方案，基于Lighthill声音类比的Ffowcs Williams-Hawkings（FW-H）模型有效应用于估计气动噪声[2,15-17]。Carolus等[16]利用LES和简单的半经验噪声模型预测了叶片的波动力和低压轴流风机的宽带噪声，并用HWA验证了湍流统计量；他们的研究结果表明，摄入湍流对波动叶片力和风扇噪声的预测效果与实验结果一致。Fern#39;andez Oro等[17] 使用RANS和LES技术在低速轴流风机中对定子-转子动态和周期性相互作用进行了3D模拟，并描述了轴流式鼓风机中涉及的非定常流动结构，以及与单个转子中叶片通过频率相关的机理-定位器互动。李等人[2]利用LES和FW-H模型评估了异常叶片交错角度偏差对轴流风机空气动力学和气动声学的影响，并利用小波包分解（WPD）提取了声压的能量特征。经验模式分解（EMD）结果表明，异常交错角的偏差程度对声压级的范围和幅度有重要影响，从WPD和EMD中提取的特征为识别异常角度偏差提供了重要参考。
尽管在过去的二十年中已经获得了许多关于轴流风机的压力脉动和瞬态流场令人钦佩的成就，但很少有研究关注旋转叶片的异常交错角对可变螺距轴流风扇的空气动力学和气动声学性能的影响[2,10,11]。另外，Li等人的调查[2]应该指出将噪声监测探头放置在喇叭口，叶轮，导叶和扩散器中，仅给出了出口流表面和叶片高度10％处的翼展横截面的平均总压力分布。然而，已发表的研究表明，旋转叶片顶端间隙以及叶轮前后的压力脉动是非常重要的噪声源;因此，为了有效地突出异常交错角的影响，监测探针应布置在表征压力脉动的关键位置。另外，在Li等人的结果中没有提供瞬态流场[2]。因此，异常叶片对瞬态流场变化的影响和压力脉动的表征还不是很清楚。因此，对于在交错角度的异常调节下的这种轴流式风扇，一些关键特性，包括关键位置和横截面处的压力脉动和瞬态流场，以及压力脉动特征的表征，需要做进一步调查。
本文的结构如下：轴截面风扇模型在章节2中描述；数值方法在章节3中详
细阐述。压力脉动和瞬态流场的分布，以及近似熵和样本熵的压力脉动特征在章节4中讨论。最后，章节5总结了这项工作。
2.风扇模型的制定
在本模型中，使用OB-84型可变螺距轴流式风扇来探索单个旋转叶片的异常交错角对压力脉动和瞬态流场的影响。轴流风扇模型由四个部件组成：喇叭口，叶轮，出口导叶和扩散器，如图所示图。1.关键特性如下：（1）风扇有14个旋转叶片和15个导叶。（2）叶轮直径和叶尖间隙分别为1500和4.5 mm。（3）风扇以恒定旋转方式驱动速度为1200转。（4）在设计条件下，旋转叶片的正常交错角为320，体积流量和总压力上升分别为37.12m3/s和2254Pa，以及（5）叶片通过频率为280Hz。参考文献[18]中给出三个叶片角度290°，320°和350°下的风扇性能曲线，并用于评估当前建模的准确和可靠性。
图1风扇结构图和监控探头的布置
轴流风机的空气声学主要由压力脉动和内部非定常流动决定。由于经常发生旋转叶片的交错角度的异常调节，导致内部流场的恶化和压力脉动的增大。不仅气动噪声严重增大，风扇的安全运行也受到严重影响。轴流式风扇的实际工况表明经常发生交错角的正偏差[2,10-11]。因此，本文研究的目的是研究在交错角的正偏差下轴流风扇的压力脉动和瞬态流场特征。以明确交错角度偏差的描述，Delta;beta;指定为异常叶片与法向角的偏差角（沿翼型轴沿逆时针方向旋转），其中Delta;beta;=0°表示正常叶片角为32°，如图2所示。Delta;beta;=10°0，20°0，30°，40°和50°对压力脉动和瞬态流场的影响在该研究中进行了检测。
3. 计算方法
3.1.模拟方法
采用计算流体动力学软件Fluent 6.3.26来捕捉轴流风机的压力脉动和瞬态流场的特征。最初选择具有旋转校正的可实现的k-ε湍流模型，通过与3D稳定RANS方程的耦合以模拟稳定流场。许多研究证实了合理应用k-ε湍流模型可解决旋转流动，射流，混合流动和在不利压力梯度下边界层分离的行性，并且发现了模拟和实验结果之间的良好一致性。[1,2,10,11,19-21]。没有滑移和穿透条件施加在壁面上，并且选择标准壁功能用于近壁区域。SIMPLEC算法用于耦合压力和速度场。多旋转参考框架（MRF）用于连接旋转叶轮和固定套管，因为MRF不仅考虑定子对流场的影响，还考虑旋转叶轮和静止区域之间的相互作用。[2,10,11,20,21]。使用二阶迎风方案解决了对流项，扩散项和湍流粘度系数的离散化。本研究未考虑壁面粗糙度和重力对流场的影响。使用Interface方案完成不同域的接口处的数据交换。当所有方向上的速度残差和k，ε都小于10-4时，当前建模的收敛性得到保证。入口和出口处的总压力保持不变。
图2.异常交错角的偏离程度图 图3.监测探头和异常叶片t=0时的相位
然后，引入从稳态建模获得的流场作为非稳态建模的初始流场。对于不稳定的计算，采用移动网格模型进行各种界面之间的数据交换。选择该方案是因为它仅需要计算界面两侧的流量和获得流量的等式，因此有利地实现了动态-静态界面之间的信息传输。
建模领域覆盖从喇叭口到扩散器的整个流动通道，如图1所示。喇叭口处的入口和扩散器的出口分别用作整个建模域的入口和出口。入口和出口的边界条件分别是速度和自由出流。在轴流式风扇的实际运行中，气流在叶轮区域中收集机械能并改变导叶区域中的流动方向，使得叶轮和导叶中的气流产
生更剧烈的压力脉动，与喇叭口和扩散器区域中的气流相比[2,10-13,17,22-25]。因此，本研究主要关注叶轮和导叶区域中时域和频域的压力脉动特性，这与Li等人给出的结果不同[2]。由于结构对称，相同径向截面的监测点具有相同的压力特性；因此，在每个径向横截面中布置有代表性的监测探针。监测探头放置在叶轮（P1）的入口处，旋转叶片的叶尖间隙（P2），叶轮（P3）的出口和导叶（P4）的出口处，如图1所示。
图3显示监测探头的相位和在一个旋转周期（t=0）开始时的异常叶片。可以看出，监测探头P2与异常叶片之间的相位差是旋转周期的四分之一；因此，P2的压力脉动的采样信号在异常叶片的冲击之后。在这项研究中，风扇的一个旋转周期为0.05秒，时间步长设定为5times;10-4s在非稳态建模中准确捕获瞬态流场[22]；因此，在一个轮换期间总共有100个时间步长。本研究模拟了
图4 两个旋转周期静压P2分布
在十个旋转周期的总时间内的瞬态流场。仿真结果表明，不同旋转周期内
时域和频域压力脉动的分布是相同的（如图4所示），即本模拟达到统计稳定状态，因此，收集0e0.05s的单个周期的数据用于以下分析。
图5 网格数的独立验证
3.2.网格策略
根据多块拓扑网格划分方法和轴流风机的复杂结构，计算域首先分为喇叭口，叶轮，导叶和扩散器。网格使用T-Grid类型创建，Tet / Hybrid元素经过精炼以满足微小流量需求，特别是在叶轮区域。考虑到尖端间隙中的复杂流场，尖端间隙附近的网格是密集的，而其他区域中的网格较稀疏。基于参考叶轮网格创建所有网格，随后将其他部分网格化。
为了确保网格的质量，引入了尺寸函数以使尖端间隙中的网格致密化。这是通过优先啮合叶片表面，然后通过参考叶片表面的网孔使叶轮体积啮合来完成的。size函数的具体参数如下：类型为网格，源和附件实体为所有叶片的表面和叶轮体积，生长速率为1.1，最大尺寸为15。然后通过参考叶轮的网格将风扇的其他区域啮合。喇叭口，叶轮，导叶和扩散器的最大偏斜比分别为0.789,0.891,0.757和0.785。应该注意所有偏斜比都小于0.97，因此确保了高质量的网格[1,2]。
为了消除网格数对建模的影响，并满足计算精度的要求，使用六组网格数进行网格独立性验证，如图5所示。从图中可以看出，当电网数量超过235万时，总压力上升和效率的变化非常小。虽然通过增加网格数进一步促进了建模精度，但是提升幅度明显受限，并且计算时间显著增加。考虑到计算时间和流量细节的说明，本研究选择了235万的网格数。这个总网格数分为355万个喇叭口，136万个用于叶轮，0.21亿个用于导向叶片，0.43百万个用于扩散器。网格图显示在图6，包括风扇的网格图6a，叶轮和导叶的格栅图6b。
4.结果和讨论
4.1.空气动力学性能
由于在实际运行期间复杂的现场条件限制，噪声源不仅包括风扇而且包括其他旋转装置，并且因为它非常极端，因此本模拟没有与实验结果进行比较。
在实际运行过程中，在旋转叶片的交错角异常下难以进行现场试验；另外，在实际操作期间发生的异常交错角的偏差不是立即可用的，因此在现场条件下不能对噪声进行测量。然而，将正常条件下的模拟性能与制造商提供的样品曲线进行比较[18]，如图7所示，可以看出，在235万的网格数下，体积流量33-44 m3/s的总压力上升的平均相对偏差为1.5％，表明目前的结果与实验结果相吻合。因此，可以认为本模型是可行且准确的。
图6 轴流风扇的网格图
图8表示在不同的值下总压力上升的变化。从图可以清楚地看到，当Delta;beta;小于10°，风扇性能明显变化.但是当Delta;beta;达到20°以上时，风扇性能明显恶化。对于设计流量，当Delta;beta;=10°时，总压力上升幅度略微减少0.7％，一旦达到Delta;beta;ge;20°，总压力上升幅度显著下降，例如，与Delta;beta;=10°相比，对于Delta;beta;=20°，30°，40°和50°的总压升幅度分别下降25％，46％，48％和53％。这些变化表明偏差角对风扇性能有明显的不利影响。此外，在Delta;beta;=30°-50°下总压力上升幅度的轻微降低可能是由于流场变化受限引起的，变化受限是大偏差角引起的[2]。
4.2 压力脉动特性
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