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。     

临界攻角下锯齿尾缘压气机叶片气动特性

基于Smagorinsky亚格子应力模型的大涡模拟,研究不同攻角下某型压气机叶栅的性能变化规律,获得临界攻角.分析临界攻角下不同齿高比(1.0~2.0)的锯齿尾缘叶片的气动特性及锯齿结构抑制流动分离的物理机理.研究表明:当攻角增至临界攻角时,叶栅的升压、扩压能力达到最大值,但此时伴随着流动分离、涡脱落等复杂流动现象,导致流动损失增加;锯齿尾缘结构能够改善叶片吸力面的流动分离,从而有效地减少吸力面边界层的厚度,延缓叶片失速,并能在不影响压气机增压能力的情况下降低损失;综合考虑流动损失及增压、扩压能力,齿高比在1.2左右时锯齿叶片的性能最佳;相较于基准叶片,最佳锯齿叶片的扩压能力基本相同,但是至少可以减少28.1%的流动损失,并提高1.2%的增压能力.     

基于本征正交分解和动态模态分解的尾涡激振现象瞬态过程的模态分析

尾涡激振是气动弹性领域的一种常见现象,在上游尾迹的气动激励下会导致流场中结构的强迫振动,该现象会危及被激励结构的完整性和疲劳寿命.本文使用圆柱/叶片的近似模型研究尾涡激振问题.该模型中的圆柱位于上游均匀来流,能够产生特定频率的卡门涡街;叶片位于流场下游,受到圆柱尾迹所施加的持续脉动激励,产生强迫振动.针对尾涡激励的近似模型,通过基于Fluent的二维数值计算,模拟了上游圆柱的脱落涡以及叶片从固定到以本身自然频率振动的瞬态过程,从而提供了流场变化过程的详细信息.基于非定常瞬态结果,采用本征正交分解(POD)和动态模态分解(DMD)分析方法,通过分解与重构叶片附近流场的压力场,提取模态频率及其变化过程,得到了尾涡激振现象的主要流动特征.通过对比两种模态分析结果发现,POD重构在残差处理方面有较大的优势,而DMD在单一频率模态的提取以及变化情况的分析方面更有优势.     

矿用对旋式局部通风机仿鸮叶片降噪性能研究

局部通风机在工作时,由于叶片的高速旋转产生强烈的气动噪声,为了研究仿生叶片对通风机气动性能和气动噪声的影响规律,借鉴鸮翼后缘锯齿形态和前缘非光滑形态的降噪性能,针对一台矿用对旋式局部通风机的前级叶轮进行叶片仿生结构设计,分别设计了锯齿状后缘、圆齿状前缘和锯齿状后缘加圆齿状前缘3种叶片仿生结构。在保证不显著降低对旋式局部通风机气动性能的情况下,应用大涡模拟方法和FW-H方程,对比分析了风机在相同流量下分别采用原始叶片和3种仿生叶片的气动噪声性能。结果表明:3种仿生叶片与原始叶片相比均具有一定程度的降噪效果,而锯齿状后缘加圆齿状前缘的仿生叶片结构比单纯采用锯齿状后缘或圆齿状前缘的仿生叶片结构具有更显著的降噪效果。     

孔型及倾斜角对穿孔叶片气动和噪声特性的影响

针对叶片尾缘穿孔对气动及噪声特性的影响,基于NACA65019叶片,在雷诺数Re=2×10⁵条件下,采用大涡模拟和FW-H方法研究孔型和倾斜角对叶片气动特性、绕流流场和噪声特性的影响规律,并选择降噪效果较好的穿孔模型应用到小型轴流风机上,对穿孔风机进行试验。结果表明：当穿孔倾斜角为30°时,在一定攻角范围内(α≤10°),圆柱型穿孔叶片气动性能最接近原始叶片,并且该穿孔叶片总声压级降低可达9 dB。这是由于穿孔叶片有效抑制了涡量沿叶片表面法向的发展,加速了尾缘涡沿流动方向的能量衰减,且穿孔形成的射流使大尺度的涡破碎形成小尺度的涡,衰减波动力,降低了气动噪声。     

孔型及倾斜角对穿孔叶片气动和噪声特性的影响

针对叶片尾缘穿孔对气动及噪声特性的影响,基于NACA65019叶片,在雷诺数Re=2×105条件下,采用大涡模拟和FW-H方法研究孔型和倾斜角对叶片气动特性、绕流流场和噪声特性的影响规律,并选择降噪效果较好的穿孔模型应用到小型轴流风机上,对穿孔风机进行试验。结果表明：当穿孔倾斜角为30°时,在一定攻角范围内(α≤10°),圆柱型穿孔叶片气动性能最接近原始叶片,并且该穿孔叶片总声压级降低可达9 dB。这是由于穿孔叶片有效抑制了涡量沿叶片表面法向的发展,加速了尾缘涡沿流动方向的能量衰减,且穿孔形成的射流使大尺度的涡破碎形成小尺度的涡,衰减波动力,降低了气动噪声。     

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。     

仿生非光滑车外后视镜罩气动减阻降噪机理研究

使用DrivAer汽车模型来研究仿生非光滑车外后视镜罩减阻降噪机理.风洞试验验证了LES(Large Eddy Simulation)和k-ε仿真模型的有效性,说明车外后视镜会导致空气阻力和空气噪声增加.在DrivAer汽车模型外后视镜罩造型表面应用仿生非光滑结构,仿真结果表明:车外后视镜上应用仿生非光滑结构,使整车阻力降低5.9%,侧窗外响度降低19.4%;仿生非光滑结构通过改变边界层流动状态,促使涡垫效应形成,减少来流能量损失,提高流场稳定性,进而对整车气动阻力和噪声产生积极的影响.     

基于拉格朗日方法的水翼尾缘非定常涡旋结构研究

湍流中涡旋结构的非定常脱落是普遍存在的,其脱落规律的研究具有广泛的工程应用背景,探索有效的涡旋结构预测方法具有重大意义. 采用基于拉格朗日体系的有限时间李雅普诺夫指数方法对水翼尾缘附近涡旋结构的非定常发展过程进行研究. 采用大涡模拟方法对水翼周围湍流场进行计算,通过与实验结果进行对比,验证数值模拟方法的合理性与准确性. 并在此基础上,对水翼尾缘的非定常涡旋结构进行分析. 结果表明:尾缘涡旋非定常动态行为导致水翼动力特征准周期性波动. 有限时间李雅普诺夫指数方法可以准确描述尾缘涡的非定常流动细节,拉格朗日拟序结构可以捕捉水翼尾缘涡旋结构和尾迹涡街结构的边界.      

类后视镜钝体尾迹分析

后视镜是汽车前侧窗区域重要的气动噪声源,认识后视镜尾迹特征对研究后视镜气动噪声的产生机理有重要意义.搭建类后视镜钝体尾迹风洞试验平台,通过表面油流、热线风速仪和粒子成像测速仪(Particle Image Velocimetry,PIV)测量了类后视镜钝体的时均和瞬时尾迹.通过本征正交分解(Proper Orthogonal Decomposition,POD)识别后视镜尾迹中的大尺度相干结构.试验结果表明:受有限长度特征影响,后视镜尾迹与有限长柱体的尾迹特征类似,尾迹中存在交替涡脱落,尾迹涡脱落特征频率小于0.2.受端部下洗气流的影响,尾迹涡脱落特征频率在流向和展向分布不均.POD分析结果验证了交替涡脱落的存在,交替的涡脱落导致了尾迹回流区的流向和展向振荡现象.因此,后视镜尾迹与有限长柱体的尾迹类似,尾迹涡脱落主要受有限长特征的影响.     

尾缘锯齿齿角变化对空调外机轴流风叶声场影响的试验研究

为探索尾缘锯齿齿角变化对空调外机轴流风叶声场的影响,根据《声学声压法测定噪声源声功率和生能量级反射面上方近似自由场的工程法》(GB/T 3767—2016)规定的声压级测量方法,在额定转速下采用传声器阵列对不同角度的尾缘齿角风叶进行时间平均声压级测量,利用波束形成技术探究风叶噪声源分布规律。试验结果表明：随着尾缘齿角的增加时间平均声压级均值非线性减小,尾缘齿角为90°的风叶比尾缘齿角为0°的风叶时间平均声压级均值降低了3.2～5.8 dB;随着声辐射频段的增加声源位置向叶尖方向移动且声源的声压级逐渐降低,同时锯齿齿角越大,声源位置随频率增加移动速度越快,移动距离越大。低频段声源位置随齿角变化较小,高频段声源位置随齿角变化较大。为低速小展弦比轴流风叶的降噪工作提供试验参考。     

车用轴向可调喷嘴增压器喷嘴环流场分析

对车用轴向可调喷嘴增压器喷嘴环内流特性进行研究,建立涡轮仿真模型.运用NUMECA软件对该模型进行变工况数值模拟,结合变工况下涡轮测试数据进行对比,证明仿真模型的有效性.针对已验证有效性的仿真模型对喷嘴环压力场、速度场分布进行分析,了解喷嘴环内部流动情况.结果表明:在增压器处于高、低速工况时喷嘴环的前缘处出现气流滞止,形成局部低压区;增压器处于低速工况时,喷嘴环尾缘附近出现小范围尾迹区;增压器处于高速工况时,喷嘴环斜切区尾缘处出现大范围尾迹区.分析结果可为该型增压器喷嘴环叶片叶型提供优化和设计建议.     

潜艇涡量场和流噪声等效声中心的数值预报

为了实现潜艇湍流噪声及其等效声中心的数值预报,在分析SUBOFF潜艇拖曳和自航状态下涡量场的基础上,采用大涡模拟与声学边界元相结合的方法,在频域内预报了流噪声空间分布、测点谱源级曲线和声指向性,求取了等效声中心位置并分析了其受螺旋桨旋转作用的影响.计算结果表明：附体与艇体结合部马蹄涡和附体端面诱导项链形涡对是潜艇涡量场的主要特征,且马蹄涡系具有较高的强度和稳定性;附体尾涡脱落频率存在19.22Hz的线谱,且在尾涡测点谱曲线中得到明确体现;随着频率增加,流噪声蝶形指向性对应的辐射瓣状区间数随波数增加,且正横方向声压要强于首尾方向;流噪声等效声中心位于距艇艏0.46倍艇长处,在10Hz～1kHz内总声源级为95.09dB;艇艉桨对附体马蹄涡系影响较小,但促使等效声中心迅速移至艇艉.     

高速列车转向架舱对转向架区域流场与气动噪声影响

根据涡声理论和声比拟方法,数值模拟了高速列车转向架简化模型的流场与气动噪声特性,分析了转向架舱对转向架流动与气动噪声性能的影响.结果表明:在单独转向架与转向架位于转向架舱内2种工况下,几何体近壁流场内形成的体偶极子声源为近场四极子噪声的主要声源,转向架表面压力脉动产生的面偶极子声源为声辐射主要声源;与单独转向架相比,转向架舱改变了转向架流动特性与声辐射指向性,削弱了转向架所产生气动噪声的强度,但转向架舱后壁会产生较大气动噪声.     

叶尖开孔对风力机流场的影响研究

以NREL Phase VI叶片的1/8缩比模型为研究对象,在叶片叶尖区域设计由前缘到叶尖端面的3个环形通气孔,改变叶尖流场分布.采用CFD的方法,通过转速变化分析叶尖表面的压力分布情况及其叶尖涡的发展过程,进而研究叶尖开孔对风力机叶尖涡的影响.研究结果表明:转速低于900 r/min时,叶尖开孔对叶片气动性能影响不大;而转速高于900 r/min时,叶尖开孔可降低涡核强度,加速叶尖涡耗散,提高叶片气动效率.从环形通气孔中喷射的气流对来流有明显的抑制作用,能够减小尾流区内的轴向速度.在加速叶尖涡的耗散和降低叶尖涡的强度方面,风力机叶尖处开孔在转速超过900 r/min以上时被视为一种比较有效的设计.     

前缘脱层对风力机翼型流场和气动性能的影响

为研究前缘磨损对翼型气动性能的影响,以风力机专用翼型S809为研究对象,采用SST k-ω湍流模型进行数值计算,研究不同前缘脱层深度对翼型流场和气动性能的影响.结果表明:前缘脱层改变了翼型形状,使得前缘流动变为台阶流动,造成后缘分离区变大、分离点前移.随着脱层深度和攻角的增大,吸力面前缘回流漩涡和后缘分离区由相互独立状态变为完全融合.同一攻角下,前缘脱层对前缘的压力系数影响较大.攻角小于3°时,前缘脱层对翼型的升、阻力系数影响较小,攻角大于3°后,随着脱层程度的加深,翼型的升力系数逐渐减小,阻力系数逐渐增大.相对于光滑翼型前缘脱层翼型升力损失率最高达55.08%,阻力增长率最大达150.48%.     

轮廓度与扭转角偏差对压气机气动性能的影响

压气机叶片实际加工过程中,会出现叶片轮廓度、扭转角等加工超差,对压气机气动性能产生影响。采用S1流面计算和三维数值计算的方法分别研究了轮廓度及扭转角偏差对亚音速压气机气动性能的影响,计算结果表明:轮廓度增大,叶型最小损失值增大;堵点流量逐渐降低,轮廓度为0. 08 mm时,堵点流量减小了1%;峰值效率逐渐降低,但降低幅度较小。扭转角偏差对性能的影响来自于前缘偏转对进口喉道面积与尾缘偏转对叶片出口气流角的改变;扭转角偏差对叶型最小损失值影响不大,±0. 35°扭转角偏差范围对叶片的低损失攻角范围影响较小;扭转角向前缘打开方向增大,流量-压比特性线向右上方平移;扭转角向前缘关闭方向增大,流量-压比特性线向左下方平移;扭转角偏差0. 35°,最大流量减小了0. 67%;扭转角偏差对峰值效率点的影响微弱。     

基于主动射流的汽车后视镜区域气动噪声控制

使用大涡模拟和声扰动方程求解后视镜区域气动噪声的非定常流场和声场.通过比较前侧窗19个测点能量平均总压力级的仿真和试验结果发现,两者仅相差2.3 dB(A),它们频谱变化趋势相同,量值差异较小.在此基础上,建立了主动射流模型,并改变射流位置、方向和速度等参数,采用子域仿真方法得到最优射流方案.将最优射流方案置于整车气动噪声仿真模型中,通过与原始模型对比发现,主动射流增大了后视镜尾部的时均压力,减小了压力梯度,降低了后视镜区域涡流强度,使整车气动阻力系数减少0.002,前侧窗网格节点能量平均的总声功率级降低1.8 dB(A),湍流脉动总功率级降低0.3 dB(A).