单圆弧等厚叶片前后缘多元耦合仿生设计及降噪机理研究

采用计算流体力学(CFD)方法和实验测量方法分别研究了多元耦合仿生叶片的降噪机理及其对多翼离心风机气动性能和噪声特性的影响。基于逆向工程设计方法,通过提取苍鹰翼翅前后缘典型结构特征,设计了一种前缘波形结构耦合尾缘齿形结构的仿生叶片,同时对仿生叶片和多翼离心风机用单圆弧等厚度叶片的气动性能及流动和噪声特性进行了数值分析,通过比较揭示了多元耦合仿生叶片的降噪机理,得到仿生叶片尾缘的齿形结构可改变叶片尾缘脱落涡结构和频率、前缘的非光滑波形结构可减小叶片表面脉动以及气流对叶片前缘的冲击等结果。相对于原型叶片,仿生叶片的基频和倍频均有所下降,仿生叶片的A计权声压级降低了2.1dB。6种仿生叶片应用于多翼离心风机的实验研究表明:仿生叶片前后缘结构设计参数会影响多翼离心风机的风量、风压和噪声;采用多元耦合仿生叶片,风机噪声最大下降1.5dB,而风机的风量和风压基本不变。     

仿鸮翼前缘蜗舌对多翼离心风机气动性能和噪声的影响

针对某多翼离心风机,受鸮类翅膀前缘结构的启发,设计了一种新型降噪结构——仿鸮翼前缘蜗舌。基于逆向工程方法,通过提取长耳鸮翅膀气动性能较好的40%翼展方向上的翅膀剖面型线,对风机蜗舌进行了仿生降噪重构设计,并分别对原型风机和仿生蜗舌风机的气动性能和噪声特性进行了数值模拟。研究结果显示,仿鸮翼前缘蜗舌风机的风量较原型风机增加了1.9m3/min,噪声下降了1.6dB,效率提高了3.8%,表明采用仿生蜗舌有效降低了气流对风机蜗舌的冲击作用,抑制了流动分离的发生,在蜗舌附近区域流场的逆压梯度明显减小,涡的结构、强度和分布都有所改变。     

叶片数及轴向间隙对矿用对旋式轴流通风机气动性能的影响

以矿用对旋式轴流通风机为研究对象,应用计算流体力学软件FLUENT在不同叶片数及轴向间隙下对通风机气动性能进行三维流场模拟,分析不同叶片数及轴向间隙对通风机气动性能的影响.结果表明随着通风机前后两级叶轮叶片数的增加,通风机的全压会相应地增大,效率会先提高后降低,即存在一个前后两级叶轮叶片数的最佳组合,此时通风机的气动性能最佳.在前后两级叶轮最佳叶片数组合下,两级叶轮轴向间隙的增大会增加通风机流道内气流的摩擦损失,从而降低通风机的全压和效率;减小两级叶轮的轴向间隙可提高通风机的全压和效率,但叶片的振动和通风机的噪声会有所增大.研究结果对矿用对旋式轴流通风机的优化设计具有一定的指导意义.     

仿鸟翼厚度分布特征叶片的贯流风机气动性能研究

为提升空调器用贯流风机的气动性能,降低风机功耗,受鸟类翼型结构启发,研究了仿生翼型设计对贯流风机气动性能的影响。首先分别提取具有优良气动性能的长耳鸮和海鸥翅膀展向40%处截面翼型进行仿生逆向重构,基于鸟翼厚度分布特征进行贯流风机叶片仿生设计,考虑到叶片强度和工艺条件的影响,针对设计的仿生翼型叶片进行了改型设计并应用于贯流风机中。然后采用数值模拟研究了两种仿鸟翼叶片对贯流风机内流场结构及其气动性能的影响。最后针对贯流风机的气动性能进行实验测量,验证仿生叶片设计对提升贯流风机气动性能的有效性。研究结果表明：两种仿鸟翼叶片前缘形态均能有效抑制叶轮外缘分离涡,减少叶道进口侧阻塞;两种叶片对于内圆周进口侧附面层堆积形成的二次流均有改善作用,低转速下前缘厚度变化剧烈的长耳鸮仿生叶轮表现更明显;两种仿鸟翼叶片均能增强偏心涡强度,使叶片做功能力提升,出口流速增大,叶轮效率提升。选取性能较优的长耳鸮仿生叶轮进行实验研究,与原型机相比,不同工况下采用长耳鸮仿生叶轮的整机的加权风量提升29.6 m³·h^-1;相同风量条件下,整机功率降低了3.5%。     

采用仿鸮翼叶片降低空调用离心风机气动噪声的研究

基于逆向工程设计方法,提取具有优良气动性能和低噪声特性的长耳鸮翅膀展向40%截面位置处的翼型进行仿生重构,并将其应用于窗式空调用离心风机叶片的叶型改进中。采用数值计算方法研究了仿鸮翼翼型叶片4种不同中弧线分布方式的降噪效果,对最优设计风机的气动性能和噪声进行了试验验证。与原型相比,仿生翼型叶片按照单圆弧中弧线分布设计的离心风机降噪效果最好,在风量基本保持不变的同时风机噪声下降了1.3dB。风机内部流动及其噪声特性的数值模拟结果表明:仿鸮翼叶片的应用可减少叶轮流道内的低速分离区域,有效抑制通道内旋涡流的产生和发展,同时减弱叶轮与蜗舌间周期性的非定常相互作用,降低叶片前缘区域和蜗舌区域的压力脉动,从而有效降低空调用离心风机产生的气动噪声。     

苍鹰翼尾缘结构的单元仿生叶片降噪机理研究

利用逆向工程方法提取苍鹰尾缘非光滑形态的降噪特征元素,由此建立了仿生叶片结构模型;采用基于Smagorinsky亚格子应力模型的大涡模拟,结合基于Lighthill声类比的FW-H方程,分别对仿生尾缘锯齿叶片和标准叶片的流道模型进行了三维流场及声场的数值计算;通过分析仿生齿形结构对叶尾迹流场的影响,研究了仿生尾缘齿形结构的气流噪声控制机理.结果表明:仿生尾缘锯齿结构叶片的总A计权声压级比标准叶片降低了9.8dB;叶片尾缘锯齿结构可以改变流场噪声峰值的分布规律,从而降低了噪声峰值,且大部分频率范围内的气动噪声均有所降低;仿生尾缘锯齿结构可以改变各截面尾迹涡的脱落位置,从而增大了涡心之间的距离,抑制了脱落涡对尾迹流动的扰动,进而减小了叶片表面的非定常压力脉动和尾迹涡引起的气动噪声.     

矩形槽机匣对轴流通风机气动性能和噪声的影响

为探究矩形槽机匣对轴流通风机气动性能及噪声的影响,以单极轴流式通风机为研究对象,采用FLUENT对各方案机匣风机性能进行数值计算,并利用Lighthill声比拟进行噪声预测。研究结果表明：矩形槽机匣能使风机全压下降,效率提高;使叶顶区域流场更加紊乱,叶片表面静压得以重新分布,减缓泄漏流的发展,叶轮做功能力下降;轴流通风机近场以离散噪声为主,叶顶区域噪声最大,尾缘区域次之,前缘区域噪声最小;矩形槽机匣对风机噪声影响显著,合理的开槽结构可使风机噪声降低。通过实验验证了数值计算的可靠性,为轴流通风机气动性能和噪声研究提供数据支持和实验基础。     

利用雕鸮羽毛的消音特性降低小型轴流风机的气动噪声

为降低轴流风机的气动噪声,借鉴了雕鸮羽毛的消音机理,将其羽毛的消音特征以条纹结构和锯齿形态的形式,在轴流风机叶片上进行重构,设计了耦合仿生轴流风机。同时采用试验优化的方法,与原轴流风机进行了模型对比试验,研究了条纹及锯齿参数对风机叶片气动噪声的影响。结果表明,耦合仿生轴流风机具有较低的气动噪声值。在1000、1100、1200、1300和1400 r/min五种转速下,耦合仿生轴流风机的A声级值最大可分别降低4.9、4.5、4.6、4.9和5.8 dB。     

V形仿生非光滑结构对轮胎花纹气动噪声影响

为探索降低花纹气动噪声的方法,以205/55R16半钢子午线轮胎为研究对象,研究V形仿生非光滑结构对轮胎花纹气动噪声的影响.以滚动轮胎单一节距的花纹沟体积变化信息为边界条件,采用计算流体力学建立了花纹气动噪声仿真模型,通过与试验测试声压频谱二者信息对比,说明了花纹气动噪声模型的可靠性.在此基础上,借鉴工程流体领域仿生减阻降噪的思路,研究了花纹沟底部布置不同尺寸的V形非光滑结构对花纹气动噪声的影响,从雷诺应力、湍流动能两个流体流场参数揭示了非光滑结构对花纹气动噪声降噪机理.将降噪效果最佳的V形非光滑结构移植到混合花纹沟上并进行花纹气动噪声分析,结果表明:在混合花纹沟壁面布置非光滑结构能降低沟槽内流体不稳定性,具有明显的降噪效果,最大降噪量达4.6dB.     

局部进气高速涡轮机气动噪声实验研究

动静叶干涉所产生的单音离散噪声是涡轮机气动噪声的主要来源之一。对于一种局部进气高速涡轮机,为了减弱由动静叶干涉引起的单音噪声,对涡轮机通流结构进行了流道优化设计以控制流道内的流动状况进而降低气动噪声,设计了涡轮机气动噪声实验台,测量并分析了流道优化措施的降噪效果。测量结果表明,所采用的涡轮机流道优化设计方法有效地抑制了单音离散噪声,降噪量最大达到了7dB;在多数三分之一倍频程内,涡轮机优化设计后的噪声幅值均低于原始的涡轮机,降噪量最大为2.1dB。     

双叉式叶尖结构对风力机气动噪声的影响

为降低风力机的气动噪声,提出一种用于小型风力机的双叉式叶尖结构改型设计方案,在风洞实验室开展了风力机外特性测试与气动噪声试验.试验结果表明:双叉式叶尖结构在3～9m/s的低风速段和中风速段能提高风力机的输出功率;双叉式叶尖结构可降低风力机风轮旋转基频所对应的最大声压级与叶尖涡脱落频率所对应的声压级.由此可知双叉式叶尖结构能有效降低风力机的气动噪声,其中叶尖夹角为90°的双叉式叶尖结构降噪性能最优.     

跨音速风扇转子叶片前缘再造型优化设计

风扇转子叶片在运行过程中由于冲蚀磨损等作用会发生前缘侵蚀现象,本文以某型大涵道比涡扇发动机钛合金风扇转子叶片为研究对象,开展前缘侵蚀气动特性影响及再造型设计研究,重点分析工作特性曲线及叶尖区域流动特点,叶片前缘采用钝头处理来近似模拟侵蚀对前缘形貌的作用效果,采用NUMECA软件中的FINE/Design 3D模块进行侵蚀前缘再造型优化设计研究。数值计算结果表明,前缘侵蚀会造成风扇转子叶片流量-压比、流量-等熵效率工作特性线整体分别下移0.86%和0.53%,稳定工作裕度下降,叶尖激波结构前移等。经前缘再造型后,风扇转子叶片的气动性能恢复至原始叶片水平。     

矿用对旋式轴流通风机气动噪声及三维流场数值模拟与分析

以矿用对旋式轴流通风机为研究对象,应用计算流体力学软件FLUENT对通风机气动噪声及三维流场进行数值模拟与分析,研究矿用对旋式轴流通风机气动噪声产生机理及通风机内部三维流场的流动状况;在三维非定常流动条件下,采用大涡模拟湍流模型(LES)进行求解,选取二阶隐式时间推进法来提高计算精度,结果表明:受前后两级叶轮之间所形成的流道不均影响,在同一轴向截面上靠近叶轮壁面位置的噪声值小于叶轮流道中部位置的噪声值,而叶轮流道中部位置的噪声值又小于靠近轮毂壁面位置的噪声值.离通风机气动噪声源(前后两级叶轮)越近,受到的气流压力脉动的影响就越大,则该区域气流的振动也越大,其对应的噪声值就越高;反之,越远离噪声源的区域受到的气流压力脉动的影响就越小,使得该区域的气流的振动越小,其对应的噪声值越低.同时,高压旋转的气流在扩散器区域的分布不再均匀,靠近叶轮壁面及轮毂的动压较低,而通风机流道中部附近的动压较高.研究结果对矿用对旋式轴流通风机的优化设计具有一定的指导意义.     

局部进气高速涡轮机气动噪声实验研究（英文）

动静叶干涉所产生的单音离散噪声是涡轮机气动噪声的主要来源之一。对于一种局部进气高速涡轮机,为了减弱由动静叶干涉引起的单音噪声,对涡轮机通流结构进行了流道优化设计以控制流道内的流动状况进而降低气动噪声,设计了涡轮机气动噪声实验台,测量并分析了流道优化措施的降噪效果。测量结果表明,所采用的涡轮机流道优化设计方法有效地抑制了单音离散噪声,降噪量最大达到了7 d B;在多数三分之一倍频程内,涡轮机优化设计后的噪声幅值均低于原始的涡轮机,降噪量最大为2.1 d B。     

叶尖小翼对轴流风机气动性能及噪声特性影响的数值研究

为了控制轴流风机叶顶泄漏流造成的气动损失和噪声,在轴流风机叶片顶部添加了融合式叶尖小翼结构,并对风机的气动性能及噪声特性进行了数值研究。采用大涡模拟结合声类比方程的数值方法,研究了叶尖小翼对轴流风机流场和声场的影响。通过对风机叶尖流场和声场进行分析,对比不同外倾角的融合式叶尖小翼周围的涡场结构以及表面声压脉动,分析了不同外倾角小翼对叶尖泄漏流的控制作用以及叶尖小翼对风机气动性能和噪声特性产生的影响。结果显示:叶尖小翼结构可以有效抑制叶尖泄漏涡以及叶尖分离涡的发展,降低轴流风机的气动噪声,提高轴流风机静压效率;使用20°外倾角的叶尖小翼,风机静压效率提高了1.1%,噪声降低了5.0dB;叶尖泄漏流造成的气动噪声主要是宽频噪声,叶尖小翼可以明显降低轴流风机的宽频噪声;通过优化叶尖小翼的外倾角可以在不损害风机气动性能的同时实现较好的降噪效果。     

仿生翼几何特征与气动性能的关系初探

为了揭示鸟类翅膀特征结构与其气动性能的关系,从而为高效低噪仿生翼型的设计和开发提供有益的基础信息和仿生学理论支撑,使用三维激光扫描仪对4种常见鸟类(红嘴相思鸟、黑尾蜡嘴雀、八哥、家鸽)进行实体扫描,将真实鸟翼进行数字化建模,构建了4种三维仿生翼模型,并截取得到沿翼展方向不同截面位置处的仿生翼型。运用数值模拟方法对仿生翼的气动性能和噪声特性进行研究,并比较了不同攻角和不同雷诺数下4种仿生翼的气动性能。研究发现:4种仿生翼的气动性能曲线变化趋势一致,雷诺数对于4种仿生翼的影响效果也是相似的;当雷诺数大于100 000时,仿生翼气动性能的雷诺数效应并不明显;八哥仿生翼的气动性能良好,但适用的攻角范围较小;红嘴相思鸟仿生翼的升阻比相对较低,但对攻角的变化不敏感;擅长飞行的鸟类翅膀更明显地分化成两个部分,靠近翅根的部分整体弯曲,翼型不对称,靠近翅尖的部分基本平直,为对称翼型。噪声模拟结果还揭示了特定飞行状态下仿生鸟翼的气动噪声特性,可以推测,仿生翼的尾迹特征和飞行速度是影响其噪声分布情况的关键因素。     

基于非定常计算的对旋风机压力脉动分析

利用Realizable k-ε湍流模型对局部对旋负机进行了全流道非定常湍流计算,预测了前后两级化附近各干涉面上压力脉动的时域分布情况。分析结果表明,前后两级叶轮之间的动-动干涉、前后两级叶轮与其相邻部件之间的动-静干涉以及流动的周期非定常特性是对旋式通风机内部压力脉 动产生的主要根源;后级叶轮叶片对叶轮区域压力脉动的影响要远大于前级叶轮。数值模拟结果可以作为对旋风机叶轮部分气动噪声预估的参考依据。     

离心叶片进出口几何形状对气动性能影响研究

为研究叶片进出口几何形状对离心叶轮内部流场及气动性能影响,以某离心叶轮为研究对象,对叶片进出口前、尾缘分别进行不同尺寸修圆处理,采用SST k-ω湍流模型与High Resolution数值方法进行周期性单流道数值模拟,研究了叶片不同尺寸进出口前、尾缘修圆产生的几何形状对离心叶轮内部流场分布和气动性能的影响。研究结果表明：叶片进口前缘平凸形修圆能够增加离心叶轮总压比和多变效率,减少气流在进口前缘局部流动分离损失;平凸形修圆尺寸越小,多变效率和总压比增加越明显,在设计工况点二者最大增加约1%;叶片尾缘压力面修圆能够增加离心叶轮的多变效率,但降低了离心叶轮的总压比,而尾缘吸力面修圆能达到同时增加离心叶轮多变效率和总压比的目的,使得设计工况下多变效率最大增加约1%,总压比最大增加约5%,且减少了气体流出叶轮时的尾迹损失。对叶片前缘小尺寸平凸形修圆和尾缘吸力面的大尺寸修圆,不仅能减少叶片进出口局部流动损失,而且能使设计工况点多变效率增加约1.5%,总压比增加约7%,从而提高离心叶轮的做功能力,为离心叶片设计优化和高效加工制造提供了参考。     

矿用轴流式通风机的空气动力噪声与附面层

本文简要地介绍和分析了矿用轴流式通风机的空气动力噪声的形成,附面层及叶片后缘尾迹与空气动力噪声的关系。     

采用仿鱼形叶片的多翼离心风机性能研究

受鲹科鱼类机动游动姿态和涡流特征启发,设计了一种仿鲹科鱼体弯曲姿态的多翼离心风机用仿生叶片,采用数值模拟方法,分别研究了常规单圆弧原型叶片和仿鱼形叶片对多翼离心风机气动性能、噪声的影响。通过可视化分析发现,在仿鱼形叶片的叶道内,旋涡强度明显小于原型风机,流场分布更加均匀。仿鱼形叶片的采用有效降低了风机蜗舌处的压力脉动,减弱了叶片与蜗舌之间的非定常相互作用。风机气动噪声计算与分析结果表明,单圆弧原型叶片的风机噪声频率分布于低频声段和中频声段,而仿鱼形叶片的风机噪声频率主要集中在中频声段范围内,这表明两种风机的噪声频率分布规律和噪声传播路径不相同。数值计算结果表明,采用仿鱼形叶片的多翼离心风机气动性能明显得到改善,其中风量增加了12.5%,效率提升了5.65%,同时测点处噪声平均值下降了2.78dB。