1 幾何模型與數(shù)值模擬方法

1.1 幾何模型

本文以一臺葉片周向均勻分布的FBS-No8.0型礦用兩級軸流式局部通風(fēng)機(以下簡稱原風(fēng)機)為研究對象，其主要參數(shù)見表1，幾何模型見圖1。

1.2 數(shù)值模擬方法與邊界條件

首先選用Realizable k-ε湍流模型對風(fēng)機內(nèi)部三維全流場進行定常流動數(shù)值模擬，壓力-速度耦合采用SIMPLEC算法。給定質(zhì)量入口和自由出流條件。然后，以定常流動的數(shù)值模擬結(jié)果作為初場，采用LES (Large Eddy Simulation)方法和WALE亞格子模型進行非定常流動數(shù)值模擬。

表1軸流風(fēng)機的主要參數(shù)

圖1風(fēng)機全流道幾何模型

時間步長為Δt=6.25×10-5s，根據(jù)Nyquist采樣定理，經(jīng)FFT (Fast Fourier Transform)處理后得到的最高頻率fmax=8 000 Hz。經(jīng)計算，動葉旋轉(zhuǎn)一周需計算320步。為避免初場的影響，設(shè)定總計算步數(shù)為640步，選取第二個旋轉(zhuǎn)周期進行數(shù)據(jù)分析。在風(fēng)機進出口截面及內(nèi)部區(qū)域設(shè)置若干個監(jiān)測點(見圖1)，引入FW-H (Ffowcs Williams-Hawkings)聲學(xué)模型進行模擬，獲得聲壓頻譜特征。

1.3 網(wǎng)格無關(guān)性驗證

對于風(fēng)機內(nèi)部全流道模型的計算域采用ICEM進行網(wǎng)格劃分，因風(fēng)機三維幾何模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故采用適應(yīng)性強的非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格并進行局部加密。為了在保證模擬精度同時節(jié)約計算資源，進行網(wǎng)格無關(guān)性驗證(如圖2所示)，由此確定本文數(shù)值模擬中采用的總網(wǎng)格數(shù)約為850萬。

圖2網(wǎng)格無關(guān)性驗證

2 葉片周向不等距方案與動平衡驗證

2.1 葉片周向不等距方案

風(fēng)機兩級動葉與導(dǎo)葉的周向不等距分布方式均采用Ewald等提出的正弦調(diào)制法，即基于公式：

式中：φn與φ′n分別為葉片周向等距與不等距分布葉輪第n個葉片的角坐標；A表示最大調(diào)制角位移；N為調(diào)制量的循環(huán)次數(shù)，當(dāng)N≥2時實現(xiàn)自然平衡。

本文重點考察風(fēng)機兩級動葉與導(dǎo)葉周向不等距分布的以下4種組合方案：前級動葉+前級導(dǎo)葉(R1+S1)、后級動葉+后級導(dǎo)葉(R2+S2)、前級動葉+后級導(dǎo)葉(R1+S2)和后級動葉+前級導(dǎo)葉(R2+S1)。要求對動葉采取周向不等距分布時，相對變化值應(yīng)小于20%，即AR<2π/12×20%≈0.104 7，故對動葉取AR=0.05；因?qū)~固定不動且無特殊約束條件，故對導(dǎo)葉取AS=0.25；動葉與導(dǎo)葉的調(diào)制量循環(huán)次數(shù)均取N=2。動葉、導(dǎo)葉周向均勻分布(AR,AS=0)與不等距分布的周向角如表2所示。為便于列表，表中的周向角僅保留小數(shù)點后2位，實際計算中為保證精度，均至少保留小數(shù)點后6位。

表2動葉、導(dǎo)葉各葉片周向角/(°)

2.2 動葉輪動平衡驗證

為確保動葉輪的動平衡，首先進行動平衡驗證。葉片周向不等距分布后各葉片質(zhì)心仍位于同一旋轉(zhuǎn)平面，且位置矢量與離心力方向仍都沿徑向且共線，所以每個葉片的離心力矩自然為0，總力矩也為0。因此僅需驗證離心力矢量和為0，即可驗證動葉輪滿足動平衡。

風(fēng)機動葉片數(shù)為12，取N=2,A=0.1，在Solidworks中完成建模后，分別設(shè)定葉片、輪轂和輪盤的材質(zhì)，通過設(shè)計運動算例進行離心力矢量和的驗證。根據(jù)運動算例可測定旋轉(zhuǎn)軸上離心力矢量和的反作用力是否為0，從而驗證動葉輪的動平衡。動葉輪轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，則0.5 s旋轉(zhuǎn)25圈，模擬結(jié)果如圖3所示。初始反作用力僅為2.7 N，之后迅速減小為0，加之總力矩自然為0，則可認定動葉輪滿足動平衡。

圖3反作用力隨時間的變化

隨著A的增大，葉輪的不均勻分布特征更加明顯。當(dāng)AR=0.1時滿足動平衡，則葉輪在0.1≥AR≥0且N=2時也應(yīng)滿足動平衡。驗證結(jié)果表明，依據(jù)正弦調(diào)制法采取合理的葉片周向不等距分布，風(fēng)機動葉輪可以保持動平衡。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 氣動性能分析

由圖4中的對比可知，雖然與原風(fēng)機相比，R1+S2方案的風(fēng)機氣動性能略有提高，R2+S1方案的氣動性能略有下降，但總體上4種方案的風(fēng)機氣動性能均無顯著變化。可見，根據(jù)正弦調(diào)制法，實施合理的動葉-導(dǎo)葉周向非均勻分布組合方案，對礦用兩級軸流風(fēng)機氣動性能的影響并不明顯。

圖4風(fēng)機氣動性能對比

3.2 噪聲特性分析

為了分析動葉-導(dǎo)葉周向不等距分布組合對風(fēng)機噪聲特性的影響，分別在風(fēng)機流道內(nèi)的集流器入口截面、前級動葉出口截面、前級導(dǎo)葉出口截面、后級動葉出口截面、后級導(dǎo)葉出口截面和擴散器出口截面的60%葉高處，設(shè)置了如圖1所示的6個噪聲監(jiān)測點。對應(yīng)于4種方案各監(jiān)測點處的降噪量如圖5所示。

圖5各組合方案降噪量對比

由圖5可知，R1+S1方案與R1+S2方案具有較為明顯的降噪效果，與原風(fēng)機相比，兩種方案在監(jiān)測點5處的降噪量分別為1.357 dB與2.443 dB,R1+S2方案在監(jiān)測點1處的降噪量為1.082 dB。總體而言，R1+S2方案的降噪效果要優(yōu)于R1+S1方案，且在4種方案中降噪效果最優(yōu)。對比發(fā)現(xiàn)，將前級動葉與兩級導(dǎo)葉分別進行周向不等距分布組合，均可實現(xiàn)風(fēng)機降噪。對于R1+S1方案，雖然后級動葉和導(dǎo)葉均未進行周向不等距分布處理，但在監(jiān)測點4、5、6處卻具有與R1+S2方案相同的降噪趨勢。

在礦用兩級軸流風(fēng)機中，離散噪聲主要由動葉周期性作用于氣流所產(chǎn)生。對動葉實施周向不等距分布，能直接從源頭上削弱這種周期性的氣動作用，減少離散噪聲。如圖6所示，R1+S1與R1+S2方案的前級動葉壓力面靜壓分布均發(fā)生調(diào)制，且表面靜壓分布僅有細微差別，這說明是否對前級導(dǎo)葉進行處理，對上游前級動葉影響較小。而前級動葉周向不等距分布產(chǎn)生的非均勻尾跡流，能有效打破下游流動的周期性，從而顯著提高風(fēng)機的整體降噪效果。

如圖7所示，雖然未對R1+S1方案的后級導(dǎo)葉進行不等距處理，但其尾緣處的靜壓分布與原風(fēng)機相比同樣發(fā)生了調(diào)制。而R2+S1與R2+S2方案因均未對前級動葉進行處理，導(dǎo)致其產(chǎn)生的周期性氣流脈動沿流道從上游向下游傳播，對后級葉片的不等距降噪作用產(chǎn)生了一定程度的抑制，削弱了降噪效果。

為進一步驗證上述論證的正確性，僅對前級動葉(R1)實施周向不等距分布，并與R1+S1與R1+S2方案進行降噪效果對比，3種方案的降噪量如圖8所示。由圖可知，R1方案在各監(jiān)測點處的降噪效果與R1+S2方案相近，僅監(jiān)測點5處的降噪量較R1+S2方案出現(xiàn)了明顯降低，但略高于R1+S1方案，這不僅驗證了相關(guān)論證，也說明了R1+S2方案較R1方案在降噪效果方面的確有所提高。

圖6前級動葉壓力面靜壓分布

圖7后級導(dǎo)葉尾緣處截面靜壓分布

圖8 3種方案降噪量對比

為了更詳細地分析R1+S1方案與R1+S2方案對風(fēng)機噪聲特性的影響，選取監(jiān)測點1、2和5進行噪聲頻譜分析。圖9至圖11分別為在不同監(jiān)測點處R1+S1方案、R1+S2方案與原風(fēng)機的噪聲頻譜對比。由圖可見，R1+S1方案與R1+S2方案均可有效降低低頻段的離散噪聲峰值。

為了深入了解各頻段噪聲的能量分布，并能直觀反映人耳的感知效果，圖12至圖14分別給出了R1+S1與R1+S2方案在監(jiān)測點1、2和5處的A計權(quán)1/3倍頻程頻譜。由圖可知，葉片周向不等距分布在降低低頻段離散噪聲峰值的同時，還能不同程度地降低中高頻段的寬頻噪聲，實現(xiàn)了離散噪聲峰值與寬頻噪聲的協(xié)同降噪。離散噪聲峰值的降低可有效減弱人體與設(shè)備產(chǎn)生的共振效應(yīng)，提高設(shè)備的穩(wěn)定性與使用壽命。而寬頻噪聲的降低則可直接減少噪聲對聽覺系統(tǒng)的刺激。總聲壓級降低2.443 dB將使聲能量降至原來的約56.98%，其代表的實際變化與所帶來的效益較為可觀。

4 結(jié)語

針對一臺FBS-No 8.0型礦用兩級軸流式局部通風(fēng)機，通過數(shù)值模擬研究了基于正弦調(diào)制法的4種動葉-導(dǎo)葉周向不等距分布組合對風(fēng)機氣動性能和噪聲特性的影響，主要結(jié)論如下：

(1)與原風(fēng)機相比，4種動葉-導(dǎo)葉周向不等距分布組合方案對風(fēng)機氣動性能的影響都很小，表明在較大的工況范圍內(nèi)，合理的動葉-導(dǎo)葉的周向不等距分布組合不會顯著影響風(fēng)機的氣動性能。

圖9監(jiān)測點1處的噪聲頻譜

圖10監(jiān)測點2處的噪聲頻譜

圖11監(jiān)測點5處的噪聲頻譜

圖12監(jiān)測點1處A計權(quán)1/3倍頻程頻譜

圖13監(jiān)測點2處A計權(quán)1/3倍頻程頻譜

(2)在所考察的4種組合方案中，R1+S2方案的降噪效果最優(yōu)，R1+S1的降噪效果次之，分別使后級導(dǎo)葉尾緣監(jiān)測點處的總聲壓級降低了2.443和1.357dB。

(3)在R1+S1方案中，雖然后級動葉、導(dǎo)葉均未進行周向不等距分布處理，但在后級尾緣監(jiān)測點處卻具有與R1+S2方案相同的降噪趨勢。這是因為前級動葉周向不等距分布產(chǎn)生的非均勻尾跡流，有效打破了下游流動的周期性，從而提高了風(fēng)機的降噪效果。

(4)合理的動葉-導(dǎo)葉周向不等距分布組合可同步降低風(fēng)機低頻段的離散噪聲峰值與中高頻段的寬頻噪聲，從而實現(xiàn)協(xié)同降噪。

(5)本文的模擬分析主要針對設(shè)計工況進行不同方案間的效果對比，尚未對不同工況下的降噪效果進行研究，因此結(jié)果仍具有一定的局限性。

圖14監(jiān)測點5處的A計權(quán)1/3倍頻程頻譜