离心叶轮气动声场的数值计算与分析

　　1　引　言

　　在离心叶轮机械内部,由于动/静叶片排之间的相对运动,流场不仅在空间上极不均匀,而且在时间上表现为强非定常流动。这种流动的非定常性不仅影响机器的效率、工况范围和运行稳定性等气动性能,同时也是离心叶轮机械气动噪声产生的主要根源。随着环境保护的要求越来越高,现代离心叶轮机械设计朝着低噪声方向发展,因此必须对离心叶轮机械内部由于非定常流动引起的气动噪声进行研究,认识气动噪声产生的机理,从而控制其影响。但是,正是由于离心叶轮机械内部流动的复杂性和非定常性,很难获得流场的具体信息,使得对离心叶轮机械气动噪声的研究主要集中在实验研究上。近年来,D.J. Lee等采用Lowson声学方程和离散涡方法来数值预测离心叶轮机械的气动噪声[1-3],避开求解复杂的非定常流动。这种方法虽然简单,但是在流场计算时将流场简化为二维无粘流场,而且划分的网格比较粗糙,不能准确获得声源的具体信息所以,采用三维非定常粘性流动模型,即对Navier2Stokes方程组进行数值求解来获得声源信息就显得十分必要。

　　对离心叶轮机械,其气动噪声主要包括两部分,一是叶片表面非定常脉动力产生的离散噪声,由基频及其谐波组成;二是由于涡流等原因产生的宽频噪声。其中,离散噪声是最主要的。本文在三元离心Ghost叶轮与叶片扩压器组成的离心式压气机模型级内部非定常流动数值计算的基础上,对该离心叶轮的离散噪声进行了数值计算和分析。模型级的主要几何参数和运行参数分别为

　　模型级子午面气动流路示意图如图1所示。

　　2　三维非定常流场的数值计算方法

　　非定常计算的控制方程采用三维雷诺守恒型N- S方程，湍流模型采用标准的k-c模型，取标准壁面函数。由于叶轮内部流动马赫数很低，认为气体不可压缩目粘性系数为常数，则在直角坐标系下控制方程的表达式如下连续性方程

　　N-S方程

　　其中μt=cμρk2/ε,上述方程中各系数为:cμ=0·09,c1=1·44,c2=1·92,σk=1·0,σε=1·3。对控制方程采用有限容积法(FVM)在计算域内进行离散,应用SIMPLEC算法实现压力2速度的耦合。计算域由单一叶轮叶片通道和扩压器叶片通道组成,叶轮叶片和扩压器叶片置于计算域内,作为内边界条件处理,使得在计算域的周向边界上可以统一规定周期性边界条件。计算网格沿周向、展向和主流方向的节点数取28×23×110,如图2所示。进口边界给定质量流量、总温、总压、湍动能及其耗散率,出口按流动局部单向化条件近似处理,固壁表面湍流量的求解应用壁面函数法和无滑移条件获得。