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轴流风扇叶片尖端区域的能量耗散

摘要：本文主要内容为对轴流风机叶尖间隙流速度和压力波动的研究，且对两种不同的转子叶片尖端设计方案进行研究。两种设计方案分别为标准直叶片尖端和改进的有尖端小翼的转子叶片尖端，积分声音参数的比较表明改进的叶片尖端设计的噪声水平显著降低。为了研究能量控制和噪声生成的基本机制，本文预先给出了基于同步测量局部流速和压力的新的实验方法，该方法通过使用吸引子的相空间分析，使得其能够更精确地识别和确定局部流动结构和湍流属性，并引入来自压力和速度时间序列的特定间隙流动能量作为附加吸引子参数，以评估相位空间内的流动能量分布和耗散，并且可因此确定风扇声波发射的特征来源。在改进（尖端小翼）风扇叶片情况下，吸引子显示压力更有效地转换为动能流动能量，并且还降低了发射的噪声水平，吸引子分析的结果与积分风扇特性（效率和噪声水平）很好地一致，同时更准确和详细地表示了的间隙流现象。

关键词：轴流风扇；叶片端部；缝隙流；减低噪声；相空间；吸引子

1.引言

优良轴流风扇的特征在于可将机械能有效地转换成流体的能量和低发射噪声。然而，能量转换效率和发射噪声水平之间的关系并不总是直接相关的，并且改进两者的同时还要确保可靠的风扇运行工况是比较具有挑战性的。风扇叶片尖端和壳体外壳之间间隙区域由于泄漏流，即由于压力作用流入风扇叶片吸入侧的气隙流动^[1]，它是流体能量耗散最重要的来源之一。由于泄漏流与主（中心）叶片气流合并，诱导涡流形成并逐渐分解成更小的相干结构，这也是一个产生噪声的重要机制^[1]。

气隙泄漏首先由Rains^[2]，Varva^[3]和Senoo和Ishida^[4]进行了基于尖端的理论压力分布描述，Lakshminarayana和Horlock^[5]模拟了通过叶片尖端作为潜在涡旋涡流，以描述诱导流动阻力，并粗略估计叶片通道中的压力损失，该模型后来被Gusakova^[6]、Mehmed^[7]和Inoue^[8]等人改进和实验评估，穿过叶片尖端的泄漏流也被证实为宽带噪声的主要来源^[9-11]。叶片尖端间隙内的压力和速度测量结果证实，存在与叶片尖端上的流动分离现象有关的低频波动（即低于叶片旋转频率）。

图1.测试叶片尖端A和B的设计，以及相关的流动现象

随后的研究重点集中在叶片尖端形状设计以减小间隙流动强度及随之而来的减少叶片尖端后面的涡旋运动影响的方法。Corsini 等^[12,13]提出在叶尖上增加异型端板，而Moreau和Sanjose^[14]通过实验和数据研究了一个具有连接单个叶尖的完整环的设计方案，另一种叶片尖端设计方案即扫向叶片的吸入侧的尖端小翼已经成为最近研究^[15-17]热点，并且在工业生产中已经成功实施。除了叶片尖端之外，叶片轮廓的形状也可以被改进以减少泄漏流的影响，例如通过肋板结构将泄漏流朝更理想的方向引流^[19]。用于控制泄漏流程的另一个重要参数是翼型的迎角^[20]，但是在轴向风扇叶片上，其变化范围较窄，所以不会影响风扇效率。在本文中，只研究相对于常规直叶片尖端设计（分别为设计B和A）改进的小翼型叶尖。

对于A和B叶片尖端设计，以及在横向截面（x-x）中的典型叶片尖端形状，图1示意泄漏流的运动学性能及其耗散。叶片压力(p_p)侧和吸力(p_s)侧之间的泄漏流量以及诱导涡流，表征在叶片尖端区域中存在流体能量耗散的机制^[5]。在我们以前的研究^[15-17]中，我们已经确定了叶尖间隙和几何参数对轴流风机的空气动力学和声学特性的影响，此外，局部压力波动和发出的噪声水平被确定为具有显著的相关性^[15-17]。叶片尖端几何形状的改变（即小翼的添加）影响了尖端区域中的局部气流运动学，这种影响通过功率谱的发射声压幅度和频率分布描述^[16,17]。基于已知的积分风扇特性、气流速度和压力的局部测量，本文将研究与可观察的风扇运行工况、叶尖几何形状相关的流动能量转换和耗散机制。

本文的结构如下：用于测量局部和整体风扇工作特性的实验装置将在第2节中给出，本节将讨论整体风扇特性（效率和噪声水平），第3节将介绍声压谱分析的结果，然后将执行时间序列分析，并且研究间隙流现象特性。接下来，通过在相空间中同步显示流体静压力和速度测量波动，以吸引子的形式呈现间隙能量流，该分析旨在解释所研究的两种叶片尖端设计之间的能量耗散和噪声生成机制的差异。最后，我们的研究结果将总结在结论部分。

2.实验设置

实验采用由Hidriad.d.制造的轴流风扇（型号R11R-63LPS-ECM-3501 [21]）进行叶尖形状效应研究。风扇叶片几何形状设计基于由制造商Hidria定义的形状参数的NACA翼型计算模型。在实验中，通过更换叶片上部（即叶片尖端）来实现风扇叶片几何形状的变化。叶片尖端设计A（图1，左）通过将基本叶片几何形状延伸到叶片的尖端而形成，而设计B朝叶片的吸力侧均匀地弯曲，形成小翼，风扇尖端和套管之间的平均最小间隙对于两个叶片尖端设计是相同的。两个叶片尖端设计共同的轴流风扇的技术和几何特性如表1所示，在实验过程中是恒定的。

表1 实验用轴流风机的技术特点

表2 具有相应的空气动力学效率和噪声水平的叶尖设计A的风扇的选择工作点（OP）

表3 具有相应的空气动力学效率和噪声水平的叶尖设计B的风扇的选择工作点（OP）

2.1 风扇空气动力学和声学特性的整体测量

实验工作的第一阶段旨在测量轴流风机气动和声学特性，根据标准ISO 5801^[22]，在测试室中测量了空气动力特性，即风扇体积流量（Q_V），风扇静压力和静态空气动力风扇效率（eta;_aero），通过在混响室中的加权发射声功率（L_WA）的测量来确定声学特性。混响室根据标准ISO 3743^[23]设计，并按照标准EN ISO 13347-1/-2^[24]进行风扇测量。声压测量由声音分析仪（Bruel＆KjaerInvestigator 2260）以双通道测量模式进行。通过旋转麦克风支架对声压级的测量值进行空间和时间平均。

基于所选择的组合（Q_V，△p_s），实验选择了四个典型的风扇工作点（OP1-OP4），并在表2（叶片尖端设计A）和表3（叶片顶端设计B）中给出。工作点OP3对应于两个叶片尖端设计的最佳风扇效率，小角度对积分特性Q_V（△p_s）的影响在低压△p_s区域最为显著，而在较高的△p_s值时，其降低至测量中不确定度水平以下^[23]，而在风扇整个工作范围内测量的噪声范围明显较大。所测得噪声水平（8.6 dBA）的最大差异相应于最大空气动力学效率点，表明优化（设计B）叶片尖端几何形状的风扇降噪能力更强。

2.2 气隙区域的压力和速度测量

在转子叶片末端（图2，位置7）和壳体之间的狭窄通道中进行局部相对静态压力和流速测量（实验装置如图2所示）（图2，位置8），以验证在积分水平上获得的结果，并确定不同风扇工作点和解释叶片尖端设计的典型流量现象。风扇壳体在入口部分使用销（图2，位置6）安装在辅助外壳板（图2，位置5）上。压力和速度测量位置（图2，分别是细节C和E）分别是一个相邻叶间距（72°），以便相对于最

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