振動(dòng)特性外文翻譯

1、流量測量和儀表利用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究尾緣形狀對(duì)三維軸流風(fēng)機(jī)出風(fēng)口氣體流動(dòng)的影響文章信息：文章來歷接收 2009年3月15日修訂 2009年8月13日收錄 2010年2月 5號(hào)關(guān)鍵詞: 軸流風(fēng)機(jī) 尾緣 熱線技術(shù) 雷諾應(yīng)力模型摘要： 本文的主要目的是研究軸流風(fēng)機(jī)尾緣結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)機(jī)出風(fēng)口湍流流動(dòng)的影響。本文研究的風(fēng)機(jī)主要為三個(gè)低氣壓且低馬赫的軸流式風(fēng)機(jī)，分別為徑向，向前和向后掃描三種不同的葉輪結(jié)構(gòu)。本文采用了實(shí)驗(yàn)和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）方法對(duì)三個(gè)風(fēng)扇進(jìn)行了研究，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了相應(yīng)的比較。該方法是一個(gè)用三維（3D）的雷諾平均方程和納維斯托克斯方程與雷諾應(yīng)力模型作為湍流模型（RSM）的數(shù)值模擬方法。它使我們能

2、夠計(jì)算出雷諾應(yīng)力張量的分量。不平穩(wěn)速度的測量可利用風(fēng)扇下游的熱線技術(shù)來測定，并對(duì)三個(gè)速度組分量與從利用實(shí)驗(yàn)和模型得到的雷諾茲應(yīng)力張量的六個(gè)組分的值進(jìn)行比較。同時(shí)，此現(xiàn)象還用于驗(yàn)證設(shè)計(jì)和風(fēng)扇模型的正確性。由此最終得到，前緣減少了組元徑向的速度，而尾緣則增加了這部分的速度。此外，尾緣對(duì)風(fēng)扇下游湍流的動(dòng)量有重要影響作用。引言：渦輪機(jī)械中流體的流動(dòng)情況非常復(fù)雜。他們的共同特征是三維的、粘性的和不穩(wěn)定的特征。幾何特點(diǎn)及運(yùn)行情況對(duì)渦輪機(jī)械中的流體流動(dòng)也有重大的影響。不穩(wěn)定的氣動(dòng)力現(xiàn)象常常是出現(xiàn)在空氣動(dòng)力性數(shù)值減少的情況下，而且它們也是產(chǎn)生噪聲和馳振現(xiàn)象的原因。因此非穩(wěn)態(tài)流在對(duì)軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行調(diào)查的時(shí)候是一個(gè)重

3、要的課題內(nèi)容。對(duì)于那些復(fù)雜的流動(dòng)研究，可利用不同的紊流模型進(jìn)行數(shù)值模擬。計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)工具可使那些用納維爾斯托克斯方程的無法給出的不穩(wěn)定氣動(dòng)特性的流動(dòng)特性問題得以解決。而且，利用直接數(shù)值模擬或大渦模擬方法對(duì)于像渦輪機(jī)械這樣復(fù)雜的幾何流體力學(xué)工業(yè)中的代價(jià)是非常昂貴的。本文的目的是為了確定蝸舌對(duì)風(fēng)機(jī)尾緣的下游速度分量的影響。這些不穩(wěn)定部件可以分為確定性的和隨機(jī)性的兩部分。確定性部分為葉片通道頻率及其倍頻的離散成分。它由轉(zhuǎn)子葉片及其環(huán)境之間的周期性的不穩(wěn)定的作用力而產(chǎn)生。隨機(jī)性部分主要是由于在旋轉(zhuǎn)的葉片翼周圍存在紊亂流場，因而促使所有的頻率超過了5到20萬赫茲的頻帶范圍。本文提出了一種初步

4、的噪音預(yù)測方法的研究。且將湍流產(chǎn)生的動(dòng)能作為噪聲預(yù)測模型的輸入1，2。雷諾應(yīng)力模型的湍流模塊能夠使我們精準(zhǔn)的計(jì)算湍流流動(dòng)所具有的動(dòng)量(4.3部分)。本文以汽車?yán)鋮s系統(tǒng)中的軸流式風(fēng)機(jī)作為個(gè)案進(jìn)行研究。因?yàn)樗鼈兂３Ｊ茌^差的流入條件所牽制。正由于這個(gè)流入狀況產(chǎn)生了周期性的和隨機(jī)性的力，導(dǎo)致了一定音頻和帶寬的噪音。此外，由于葉片表面上的湍流邊界層的交互作用與尾緣的作用產(chǎn)生的波動(dòng)不平的力使得風(fēng)機(jī)產(chǎn)生了寬頻的獨(dú)立噪音。使用對(duì)降噪葉片掃尾對(duì)降低噪聲似乎是有效的。漢森3主要研究了通過取消產(chǎn)生噪聲的所處不同徑向相位的位置降低葉片的噪聲音調(diào)的問題。他還研究葉片對(duì)葉片的相互干擾。通過他的研究結(jié)果，可以看到大角度的葉

5、尾對(duì)于葉片之間的作用是非常有利的，尤其對(duì)于低速轉(zhuǎn)子，與亞拉巴馬州的夫卡諾4、科明斯5等人的研究是類似的。此外，夫基塔6的實(shí)驗(yàn)表明，合理數(shù)值的尾緣對(duì)降低噪聲也相當(dāng)?shù)挠欣?。值得一提的是，艾維亞7與卡爾森8的研究工作似乎還為選擇葉片尾緣角度的分布提供了理論依據(jù)。該理論對(duì)降低湍流因素所產(chǎn)生的噪聲的降低有明顯的影響。將之應(yīng)用于低速軸流風(fēng)機(jī)的前后尾緣，不但改變了噪聲源的空間分布,也使得它們不會(huì)在刀片半徑范圍內(nèi)同時(shí)產(chǎn)生。這樣產(chǎn)生相位變換變?yōu)檠匾碚狗较蛏系牡膲毫退俣确至亢驮诘钠茐男曰蚪ㄔO(shè)性的結(jié)果之間的干擾，從而對(duì)輻射噪聲進(jìn)行修改。有關(guān)空氣動(dòng)力和車內(nèi)的聲學(xué)特性的具有葉片尾緣的軸流式風(fēng)機(jī)的完整的文獻(xiàn)在參考書目9

6、中有具體分析。雷諾納維爾數(shù)值模擬穩(wěn)定和不穩(wěn)定的加載在葉片的力和福克斯威廉霍金姆斯的構(gòu)想可以用來輔助聲調(diào)部分音譜10所聚集的葉輪。為了空間的統(tǒng)一而非時(shí)間不穩(wěn)定的流動(dòng)，但是，雷諾納維爾數(shù)值模擬作為寬頻噪聲預(yù)測的方法是行不通的。寬頻噪聲的預(yù)測來源的模擬數(shù)值需要高精度數(shù)值。亞拉巴馬州的卡洛斯11曾利用熱線技術(shù)獲得為各種不同的流入配置使用的湍流靜態(tài)數(shù)據(jù)庫統(tǒng)計(jì)。這些結(jié)果被拿來與萊斯的模擬結(jié)果作為比較。萊斯預(yù)測LES的影響葉片波動(dòng)動(dòng)蕩和風(fēng)機(jī)噪聲與其有利的實(shí)驗(yàn)相比較。萊斯萊斯模型不但工業(yè)耗能價(jià)格昂貴，而且不如雷諾納維爾斯托克斯動(dòng)量方程的計(jì)算更有用的1，2。第二部分提出了用實(shí)驗(yàn)裝置來測量風(fēng)機(jī)下游的三維不穩(wěn)定速度

7、分量。測量是通過熱線技術(shù)測量風(fēng)機(jī)下沿半徑流體的通過量。分析動(dòng)蕩的波動(dòng)數(shù)據(jù)，元件的速度紊動(dòng)應(yīng)力張量可用湍流動(dòng)能來描述。然后模擬三種不同的風(fēng)機(jī)(第三部分)的模型和計(jì)算。最后，其結(jié)果將在第四部分進(jìn)行比較與分析。2、 實(shí)驗(yàn)裝置這項(xiàng)研究所采用的風(fēng)機(jī)樣為三個(gè)軸流式風(fēng)機(jī)原型。其葉片按葉片伸展方向?yàn)槿N不同方式的徑向輻射狀。如圖1所示： 表1 三風(fēng)機(jī)工作時(shí)的流動(dòng)效率第一個(gè)風(fēng)機(jī)模型所展示的為徑向掃掠狀結(jié)構(gòu)（G2rad），第二個(gè)為向前旋轉(zhuǎn)式掃掠狀模型（G2for），而第三個(gè)為向后旋轉(zhuǎn)式掃掠狀模型（G2back）。對(duì)于第二和第三模型而言，其掃略模型為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，但是其它的幾何結(jié)構(gòu)確實(shí)同樣的，每一個(gè)風(fēng)機(jī)都有八片風(fēng)葉。三

8、個(gè)軸流式風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有如下特征：外部半徑 =187.5mm 內(nèi)部半徑 =85mm 相隔錯(cuò)開角度為 護(hù)罩的厚度為 2.5mm轉(zhuǎn)子建立在一根用細(xì)長的最大值厚度僅為55毫米的沿眉形線的NACA0065葉片上，在前緣和拖尾處以圓弧過渡，其旋轉(zhuǎn)速度是45HZ。 根據(jù)表1可知， 對(duì)于所有測量的名義流動(dòng)速率，三個(gè)風(fēng)機(jī)的名義流動(dòng)速率為 1.3。 2.1 試驗(yàn)設(shè)備在這項(xiàng)研究中，采用了連續(xù)溫度測量技術(shù)(CTA)，因?yàn)樗軌蚩焖?、精確的傳遞時(shí)間系列和寬帶光譜信號(hào)。根據(jù)徑向平衡的假說，軸流式風(fēng)機(jī)應(yīng)該是可以忽略二維流動(dòng)和徑向組件的絕對(duì)速度。但是這種情況很少，因?yàn)橛^察同心圓空氣管之間的能量轉(zhuǎn)移，對(duì)軸流式風(fēng)機(jī)三維流場的描

9、述還是需要的。同時(shí)，風(fēng)機(jī)的主軸轉(zhuǎn)動(dòng)切向和徑向分量的測量速度必須和之前估算的值進(jìn)行對(duì)比。用一個(gè)2D Dantec 55R51的熱纖維膜探測器測量分量部分的瞬時(shí)速度?？蓽y量兩不同角度的測量位置的物理值，以確定三個(gè)速度分量。因而，采用一個(gè)可旋轉(zhuǎn)90度的軸探針進(jìn)行測量。使用一個(gè)2D探針得到如同描述的完整的空間結(jié)構(gòu)的流場，完整的測量系統(tǒng)由一個(gè)5H24探針點(diǎn)測的情況下，如果一個(gè)采用連續(xù)溫度測量技術(shù)的每線最小CTA的54T30 ，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的PCI6048-E 型A / D，和一個(gè)轉(zhuǎn)數(shù)表和一個(gè)能使抽樣信號(hào)達(dá)到250千赫茲的觸發(fā)器的相應(yīng)軟件CTA v3.4，如圖2和圖3顯示的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。根據(jù)ISO5801標(biāo)準(zhǔn)12

10、設(shè)計(jì)和建造的空氣試驗(yàn)臺(tái)，能使空氣流動(dòng)速度在設(shè)計(jì)點(diǎn)的控制范圍內(nèi)，并且選擇適當(dāng)?shù)目装逯睆?。在風(fēng)機(jī)下游采用11等分分布的均勻徑向間隔熱線探測器定位點(diǎn)探測，離尾緣在中心10毫米處，風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)角如(圖4)。測量得到絕對(duì)角速度基本為中等轉(zhuǎn)速。絕對(duì)速度角度依賴于風(fēng)機(jī)機(jī)構(gòu)和流量，所以每個(gè)風(fēng)機(jī)測定值是不同的。此外，這個(gè)沿半徑角度變化的結(jié)構(gòu)如圖3。在所有測量點(diǎn)中，以絕對(duì)轉(zhuǎn)速適中的點(diǎn)為最佳參照。圖.3圖.4熱線探測技術(shù)(CTA)系統(tǒng)以每1000樣品中45千赫的頻率取樣。這些數(shù)據(jù)是由20批次的風(fēng)機(jī)樣本收集而來。2.2 校準(zhǔn)和不確定度分析校準(zhǔn)建立在通過靜壓的探針裝置測量的輸出速度和流速之間的關(guān)系式，然后記錄了其電壓，即通

11、過擬合點(diǎn)(E，U)代表傳遞函數(shù)被用來當(dāng)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)記錄在電壓的效應(yīng)。為了得到更好的精度，取介于1m/s到25m/s的速度值之間選擇20個(gè)按對(duì)數(shù)分布的速度采集點(diǎn)，然后，利用軟件計(jì)算四次多項(xiàng)式傳遞函數(shù)的值。在一個(gè)自由的空氣裝置之前和之后進(jìn)行探測器校準(zhǔn)，檢測并控制其漂移量。校準(zhǔn)的工作臺(tái)由一種大容量的具有恒定壓力和一個(gè)與外界大氣相通的小孔組成?？諝庋b置點(diǎn)的速度計(jì)算可用伯努里方程推算， 為空氣的密度， 為裝置內(nèi)和大氣的相對(duì)壓力差。經(jīng)過二十次校準(zhǔn)之后得到的似乎重復(fù)性的誤差與如下所示的兩次失誤相比就可以忽略不計(jì)了。第一是校準(zhǔn)速度的測定：壓力計(jì)的精度為1Pa，符合校準(zhǔn)臺(tái)精度的0.047m/s的精度要求。第二是四階

12、多項(xiàng)式估算與真實(shí)傳遞函數(shù)兩者之間的區(qū)別。多項(xiàng)式曲線與實(shí)測點(diǎn)最大相對(duì)誤差為3%，最低速度可達(dá)4m/s。最高速度誤差大約為1%。例如，在20m/s的速度時(shí)，可接受的相對(duì)誤差為3%；在速度為4m/s時(shí)，可接受相對(duì)誤差為13%。2.3 測量過程二維探測是為測量二維流場速度分量而專門設(shè)計(jì)的，因?yàn)樗俣确至繉?shí)驗(yàn)需其速度元同時(shí)進(jìn)行。測量三組分量的時(shí)候必須考慮到第三個(gè)項(xiàng)目的影響，以及涉及探針對(duì)流動(dòng)的另一方向的放置。圖4、圖5顯示了二維探針和風(fēng)機(jī)坐標(biāo)系統(tǒng)以及其線性位置。每線性分量彼此相互垂直，以便探測點(diǎn)（）每條線的之間角度相隔45角。它們組成一個(gè)平行于（u，v ）的X-wire陣列，作為探針軸(圖5)指定的位置1

13、、位置2。在一個(gè)異常紊亂的3D流場情況中，軸流式風(fēng)機(jī)下游速度組元(與探針平面垂直)是很重要的。為了將其影響考慮在內(nèi)，類似于三維感應(yīng)器或四維感應(yīng)已被探討和并發(fā)展13。圖5. 位置1 、2探測器的位置和與之相關(guān)的座標(biāo)系統(tǒng)探測器的三維流動(dòng)坐標(biāo)系的特點(diǎn)在于它的速度元件(U，V，W)。為得到線性坐標(biāo)（U1，U2 ）和副法線及位置1的W組件，得進(jìn)行一定的測量。旋轉(zhuǎn)后，再進(jìn)行線性坐標(biāo)（U1，U2 ）和位置2 （如圖5所示）處的V組件的測量。坐標(biāo)（U1 ，U2，U1，U2）線性的依賴探頭坐標(biāo)（U，V，W），所以四個(gè)等式可以用從元件(U，V，W)和三個(gè)未知方程式(1)和(2)。在1和2位置處，組件與各獨(dú)立速度分

14、量W和V相一致。切向方向的分量使得測量有效的冷卻速度( ，)、（， ）受到干擾。這些干擾因素主要是由于切向組元（U1，U2）、（U1，U2）相關(guān)的偏航角（k1，k2）和副法線傾斜因素（h1，h2）有關(guān)的W和V兩分量。所以，前后的兩線旋轉(zhuǎn)三維流場的一般表達(dá)式是13直接二維測量過程忽略了切向速度分量的影響，其評(píng)估錯(cuò)誤達(dá)15%。CTA軟件提供了位置1 處U和V的速度分量。然后，在位置2處，為U90部分和部分組件的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。組件U和U90應(yīng)該是接近，所以組成部分在風(fēng)機(jī)的坐標(biāo)系統(tǒng)都是以瞬時(shí)速度(U，V，W)表現(xiàn)，可使用下列公式13：其中，Ca、Cr、Ct分別是風(fēng)機(jī)的坐標(biāo)系統(tǒng)中軸向、徑向及切向分

15、量的速度(圖3)3、數(shù)值模擬 進(jìn)行三維模擬時(shí)需采用商業(yè)CFD有限元分析軟件Fluent6.3。Fluent求解程序基于多個(gè)要素(如：立體、四面體、楔板、金字塔等)有限體積方法。利用前處理程序Gambit24策略進(jìn)行結(jié)構(gòu)化的，非結(jié)構(gòu)化的、和混合的元素網(wǎng)格劃分。由于風(fēng)機(jī)葉片的幾何形狀的復(fù)雜性，以及非結(jié)構(gòu)化的四面體網(wǎng)格的使用，定義了每個(gè)“結(jié)點(diǎn)”處速度、壓力和焓的原始變量。通過直接積分二元函數(shù)直接獲得守恒方程。此處，采用了一階綜合與通量離散的方法和隱式的求解策略。 3.1幾何和嚙合為了比較預(yù)測結(jié)果與實(shí)驗(yàn)之間的差異，首先需要用CAD軟件設(shè)計(jì)一個(gè)試驗(yàn)臺(tái)。該試驗(yàn)臺(tái)如圖2和圖3所示，包含了幾乎全部的模擬數(shù)值。

16、在圖2中，我們可以看到符合國際標(biāo)準(zhǔn)(ISO)125801的綜合模型試驗(yàn)臺(tái)，包括了風(fēng)機(jī)的坐標(biāo)位置。風(fēng)機(jī)以每分鐘2700的速度旋轉(zhuǎn)，頻率為45Hz/s。在實(shí)驗(yàn)的條件下，為達(dá)到合適的流量需采用不同孔徑的板材。通過仿真和進(jìn)口速度邊界條件下對(duì)流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。 該數(shù)學(xué)模型包含了三個(gè)領(lǐng)域的內(nèi)容。風(fēng)機(jī)根據(jù)殼體外的氣流狀況從大氣中吸取空氣。因此，進(jìn)口邊界應(yīng)用條件主要根據(jù)模型進(jìn)口的流量和外口的靜壓決定。造型專注于具有重要的細(xì)節(jié)測量和仿真結(jié)果，如內(nèi)側(cè)寸布和殼體之間間隙和及箱墻壁和入口節(jié)流板處的孔槽等。 圖.2該域的八分之一是依靠周期邊界條件進(jìn)行建模以減少估算次數(shù)。頻率由圍繞風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)軸確定(圖6)。在該試驗(yàn)臺(tái)的實(shí)驗(yàn)設(shè)置

17、和護(hù)罩殼體壁之間存在一個(gè)按模型設(shè)定的4mm的間隙，三種不同的風(fēng)機(jī)采用三不同的幾何結(jié)構(gòu)形狀。圖. 6 圖7.風(fēng)葉網(wǎng)格和優(yōu)化后的風(fēng)葉網(wǎng)格參數(shù)域邊界條件如圖6所示。藍(lán)色、灰色,黃色和紅色分別對(duì)應(yīng)入口，墻壁，風(fēng)扇接口和出口。試驗(yàn)殼體規(guī)模大小相等，但均對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子呈周期性的旋轉(zhuǎn)。因?yàn)轳R赫數(shù)( 0.3)較低，所以速度可以由進(jìn)口的邊界約束條件獲得。而出口邊界條件由大氣壓力條件決定。估算定義域的單元格總數(shù)在400萬左右。這相當(dāng)于該域有近3200萬單元但無周期性的邊界條件。這些網(wǎng)格尺寸非常狹小，大約在1mm左右，接近于葉片壁條件，且在遠(yuǎn)離風(fēng)扇的地方越漸越大。如圖7，表述了一給定風(fēng)扇的網(wǎng)格。圖8。該試驗(yàn)臺(tái)的顏色與速度

18、大小(米/秒)相對(duì)。(對(duì)于圖冊的對(duì)照解釋，讀者需參考本文的網(wǎng)絡(luò)版。) 圖、9 對(duì)于三種不同風(fēng)機(jī)的實(shí)驗(yàn)及模型數(shù)據(jù)仿真結(jié)果的比較（對(duì)于圖冊的對(duì)照解釋，讀者需參考本文的網(wǎng)絡(luò)版。) 圖8展示了利用兩種不同顏色代表不同速率的路線。將箱體網(wǎng)格平均化，根據(jù)ISO 5801標(biāo)準(zhǔn)，控制風(fēng)機(jī)殼體上游入口處的流速保持恒定。在空氣吸入風(fēng)扇之前，此處的速率接近于0 m/s。該型風(fēng)機(jī)在名義流量下，由于高速流體的離心作用，流向下游的徑向速度具有很高的速率。之后，流速處于較高位置時(shí)，徑向速度隨著軸向速度的增加而降低。3.2 湍流模型 雷諾湍流應(yīng)力模型包括了獨(dú)立的雷諾應(yīng)力變量元，利用不同的換算方程。雷諾應(yīng)力模型是雷諾平均納維爾

19、斯托克斯方程的二介最終式，可用來求解雷諾應(yīng)力變量六元方程組。可以表示湍流對(duì)平均流量的影響。單獨(dú)的雷諾應(yīng)力元有時(shí)也用于雷諾平均動(dòng)量方程的最終獲得。準(zhǔn)確的雷諾應(yīng)力事實(shí)上可以利用雷諾動(dòng)量方程推導(dǎo)換算獲得。受波動(dòng)性影響的多元?jiǎng)恿糠匠痰倪^程中，效果就可以被雷諾平均化。這樣的模型自然受包括流線曲率，及瞬時(shí)變化的二次運(yùn)動(dòng)和應(yīng)變速率的影響，但他們與一介封閉模型相比其復(fù)雜程度和計(jì)算量都明顯的增加了。風(fēng)機(jī)的雷諾應(yīng)力變量14定義如：風(fēng)機(jī)湍流動(dòng)能14定義如收斂性判定準(zhǔn)則是其12個(gè)方程余項(xiàng)減小到(連續(xù)性方程、速度v、系數(shù)及，和6個(gè)雷諾壓力變量元)。通過熱線技術(shù)，在風(fēng)機(jī)下游風(fēng)口處速度和雷諾應(yīng)力張量可在同一平面中計(jì)算。4、

20、結(jié)果和討論4.1 總體特性 如圖9所示，壓力和流量是相對(duì)上升的。我們可以看出利用數(shù)值模擬的雷諾應(yīng)力結(jié)果與實(shí)驗(yàn)所獲得的結(jié)果是非常貼近的，尤其是名義流量的值。在收斂性模擬仿真時(shí)，在高流量的二次流處會(huì)導(dǎo)致一定的誤差計(jì)算存在。在分析風(fēng)機(jī)徑向名義速率時(shí)采用五級(jí)速比，由于面臨巨大的二次流且風(fēng)葉和管道處很難收斂產(chǎn)生的氣體的脫離，所以當(dāng)流速很低時(shí)，可以忽略不計(jì)。藍(lán)色的線條為第二組前處理結(jié)果（G2for）利用雷諾均值模型估算的結(jié)果，其壓力上升曲線低于第二組徑向（G2rad）的值。此外，第二組后處理結(jié)果（G2back）的性能(綠色曲線)非常接近第二組徑向（G2rad）的值。 圖10所示為靜態(tài)效率。從中可看出，實(shí)驗(yàn)

21、與模擬估算值之間的最大差值僅為6% 。第二組前處理值（G2for）的名義流量值=0.223 低于徑向值（G2rad）=0.248。G2for的最高效率低于G2rad的最高效率。至于G2back（=0.247），其最大效率基本等于G2for，但其卻具有更大的流量，如圖12。G2rad的最大靜態(tài)效率較高且優(yōu)于G2for的速率，同時(shí)，其壓力更高。總的來看，建立的這個(gè)模型是有效的，且我們利用數(shù)值進(jìn)行模擬的結(jié)果可與實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)相媲美。圖11 我們知道，風(fēng)機(jī)的掃尾是用來提高其聲學(xué)特性的，但是空氣動(dòng)力特性卻是有很大的不同，這里前緣掃尾降低了其效率。在另一風(fēng)扇葉片受較大負(fù)載如圖15所示的地方時(shí)，尾緣可增加機(jī)械效

22、率。圖15風(fēng)機(jī)被設(shè)計(jì)為能夠承受更大載荷，尤其在鼻尖處。一個(gè)具有前掃的風(fēng)機(jī)，在其葉片前端受載時(shí)，似乎是可以提高風(fēng)機(jī)的效率。但是，一個(gè)具有前掃且載荷沿徑向伸展的葉片卻降低了效率。尾緣的影響還受風(fēng)機(jī)的其它幾何參數(shù)的影響。圖.124.2下游速度 風(fēng)機(jī)下游的速度剖面圖是依靠雷諾應(yīng)力模型計(jì)算仿真估算與對(duì)三個(gè)風(fēng)機(jī)（如圖示）進(jìn)行熱線探測技術(shù)測得的結(jié)果作了對(duì)比的結(jié)論。實(shí)驗(yàn)和擬流量是在表1的定義下進(jìn)行的。第二組前掃的結(jié)果如圖11所示。第二組徑向的結(jié)果和第二組后側(cè)的結(jié)果類似，故可采用相同的評(píng)價(jià)。模擬估算所得的剖面形狀與通過實(shí)驗(yàn)所得的流速剖面結(jié)果相當(dāng)吻合。輪轂處仿真和實(shí)驗(yàn)測量之間的流量效率差異與設(shè)計(jì)的量是接近的。這因

23、為速度的平均角與其它輻射狀的風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)是很不一樣的。這些差異處于1.3倍的流量效率的時(shí)候，差異會(huì)消失，這從側(cè)面說明探測器的位置對(duì)測量的準(zhǔn)確性是非常重要的。當(dāng)輻射組元在較高的流速的1.3倍時(shí)的差異(圖11示)。當(dāng)?shù)诙M前掃在此流量徑向速度分量水平很低（處于2-1m/s），因?yàn)榍安繏呶矞p少這個(gè)速度分量（如圖12），,高流量徑向速度分量也隨之減少。在非常低的速度時(shí)，準(zhǔn)確的測量可以解釋這些不符之處。考慮到過程的測量精度，以上比較只為兩種流速提供了一個(gè)良好的軸向和切向的協(xié)議，以及名義流量上的徑向數(shù)據(jù)。將用標(biāo)準(zhǔn)體積測量的流速和依靠熱線探測技術(shù)計(jì)算出來的流速進(jìn)行比較只是為了驗(yàn)證測量的過程，其差距僅為不到2%

24、 。因而，綜上過程可得的第一個(gè)結(jié)論是，三個(gè)要素中沒有一個(gè)要素對(duì)速度而言是可以忽略不計(jì)，風(fēng)機(jī)下游流場完全是三維的。當(dāng)流量增加時(shí)，軸向分量的速度是增加的，而徑向的是減少的。切向速度仍然是相等的，但其空間分布已發(fā)生了變化。平均速度的類型和水平對(duì)于模擬數(shù)值與測量結(jié)果之間保持了很好的一致性。此外，我們可以看出測量的結(jié)果始終是稍稍高于計(jì)算所得的數(shù)值，這個(gè)可以用測量法的過程來解釋。因?yàn)樵谑褂枚S探測時(shí)，對(duì)于每個(gè)探測位置的部分速度組元的冷卻纜線被忽略掉了，所以其它兩組測量結(jié)果稍稍高于它們的真實(shí)值，且這兩組速度分量也總是稍稍高于第三組的分量。圖11所示即為輪轂附近的處于的后流場，但是在1.3倍的時(shí)候就會(huì)消失。圖

25、12顯示了三個(gè)風(fēng)機(jī)的平均流速剖面圖。三個(gè)風(fēng)機(jī)速場的主要不同就在于他們的徑向分量上。通過前掃的減少和后掃的增加，與其它相比，前掃降低了徑向組元的效率至1.3。可以看到，輪轂掃尾在1.3附近有一個(gè)小的回流，但是在1.3處卻又消失了。三個(gè)風(fēng)機(jī)的切向速度是相近的，但是第二組徑向有更大的切向速度。這是和第二組徑向速度性能一致的(見4.1）。4.3雷諾應(yīng)力張量 在這部分方程式（4）中，通過比較測量得到的雷諾應(yīng)力張量和雷諾平均估算的值，可得到處于兩種流速狀態(tài)（表1）下的第二組前掃的雷諾應(yīng)力張量的六個(gè)分量（如圖13所示）。 可以看到三個(gè)區(qū)域：對(duì)于交叉分量和對(duì)角分量而言，在頂部和輪轂處的應(yīng)力張量是最高的，中間跨

26、度部位的微量可忽略不計(jì)。所有的組元都是不同的，在這樣的狀況下湍流顯現(xiàn)出完全的無向性。湍流無向性的假設(shè)是不可以通過渦輪機(jī)械中旋轉(zhuǎn)空間和表面曲線組成的三維流場來表達(dá)的。雷諾應(yīng)力模型的精度明顯高于類似k -或則k -的一階封閉模式。當(dāng)預(yù)測的對(duì)角線組件是一致的時(shí)，交叉元上總會(huì)有一些的差異。交叉組元的值一般較低，與較高的平均速度相比測量這種高速膨脹的單元式非常困難的。一個(gè)更高的水平的表達(dá)式為對(duì)角線的組件。更高的流量提高輪轂中心附近的紊亂，減少第二組頂端附近的現(xiàn)象。仿真可以預(yù)測三個(gè)區(qū)域之間的差異，但是一般低于應(yīng)用雷諾應(yīng)力模型估算的結(jié)果。 圖14所示的為三個(gè)風(fēng)機(jī)的雷諾應(yīng)力模型組元的比較。其形狀曲線非常接近三

27、個(gè)風(fēng)機(jī)本身，因?yàn)樵谳嗇灨浇膶?duì)角組件的值更高于頂端附近。第二組尾緣產(chǎn)生的能量更強(qiáng)且更靠近中心和頂端附近。除了頂部的V-V向應(yīng)力部分，徑向和前向的應(yīng)力是接近的。此時(shí)，徑向的組產(chǎn)生更多的能量。U-U和W-W向的應(yīng)力達(dá)到了2.5，幾乎是V-V向應(yīng)力部分的最大控制壓力兩倍的水平。除了靠近輪轂的U-W向德1的水平外，其它交叉元的應(yīng)力是微不足道的。 比較湍流產(chǎn)生的動(dòng)能是比較有趣的，雷諾應(yīng)力模型中的k（方程5）經(jīng)常用于渦輪機(jī)械中的估算。如圖15所示的為第二組前向和軸向的出風(fēng)口下游剖面系數(shù)k的兩種不同的湍流模型。熱線探測技術(shù)所獲得的結(jié)果事實(shí)上也是差不多的。與輪轂附近的應(yīng)力而不是超過k-模型的水平而言，雷諾應(yīng)力

28、模型的結(jié)果是與實(shí)驗(yàn)的結(jié)果非常接近。這樣就說明k -的推斷對(duì)于流動(dòng)結(jié)構(gòu)是不充分的。 4.4利用CFD方法所得結(jié)論 為了理解流場支流相關(guān)的現(xiàn)象，此處采用的更多的CFD方法所得的結(jié)果是十分有趣的。圖16. 在效率時(shí)的k()與風(fēng)機(jī)下游風(fēng)口速度分量（這幅圖例中顏色的意義參考本文網(wǎng)絡(luò)版中的相關(guān)說明。） 圖16為在效率時(shí)的k輪廓線及軸向、徑向以及切向速度。從風(fēng)機(jī)的半剖圖可看到，在風(fēng)機(jī)的下游出風(fēng)口處它們呈現(xiàn)平行狀態(tài)?？紤]到系數(shù)k，所有表層的水平基本上處于1 m/s，且我們可以清楚的看到在靠近輪轂與頂端時(shí)的高水平的位置?？拷嗇灥木哂凶顝?qiáng)逆流的徑向組元同樣也具有最高的k值。由于靠近頂部，第二組前向在這一區(qū)域邊緣

29、具有最高的等級(jí)。軸向速度的輪廓曲線表明了輪轂與頂端部分的回流。紅色面積區(qū)域的代表葉片軸向的高級(jí)別阻力，在此流速（）下徑向值最高，幾乎與軸向組元的等級(jí)相當(dāng)。對(duì)于前向與徑向，在靠近前緣的小塊區(qū)域面積內(nèi)的徑向速度值處于較高水平。而后緣幾何結(jié)構(gòu)取消了此處面積，且我們可看到一個(gè)光滑的放射狀組成部分。從邏輯上講，切向組件沿著輪轂到頂端距離而增加，但在所有的配置中，在靠近頂端處有稍稍的減少。圖17。湍流表面狀況國際化的動(dòng)量表示(、藍(lán)色=0.05、綠色=1、橙色=4)。（這幅圖例中顏色的意義參考本文網(wǎng)絡(luò)版中的相關(guān)說明。） 在圖17中，三個(gè)不同的表面上的k系數(shù)表示在風(fēng)機(jī)周圍。此處選擇了低級(jí)別的0.05 m/s是

30、因?yàn)樗嬖谟谒袇^(qū)域，以及風(fēng)機(jī)的上下游風(fēng)口。中等級(jí)別的1 m/s是風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的，更接近與輪轂和頂端，如4.3部分。高水平級(jí)別的4 m/s產(chǎn)生在護(hù)罩部位，即葉輪頂間隙和輪轂尾緣。湍流動(dòng)能的擴(kuò)展遵循流場的方向，在徑向處和軸向1.3處。對(duì)于三種尾緣而言，在處產(chǎn)生的湍流動(dòng)能似乎要高于1.3，但傳播的距離較短且更多的呈現(xiàn)放射狀。對(duì)于第二組徑向處的產(chǎn)生的湍流動(dòng)能，在頂端附近似乎要低于其它兩種尾緣。靠近輪轂與遠(yuǎn)離頂端的湍流動(dòng)力學(xué)能量增加，并對(duì)于前向組元產(chǎn)生另外一個(gè)較高的k系數(shù)。這是兩個(gè)流動(dòng)速率對(duì)比發(fā)現(xiàn)的結(jié)果。5、結(jié)論 為了獲取風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的湍流參數(shù)狀況尤其是雷諾應(yīng)力張量在徑向所產(chǎn)生的差異，可以通過對(duì)三個(gè)不同

31、渦場結(jié)構(gòu)的風(fēng)機(jī)的湍流模型進(jìn)行雷諾斯托克斯方程數(shù)值模擬的比較來獲得。這三個(gè)風(fēng)機(jī)采用三種不同的掃尾結(jié)構(gòu)，并處于相同的試驗(yàn)條件和數(shù)值下進(jìn)行模擬研究。他們清楚地表明了掃尾對(duì)三維流場的空氣動(dòng)力學(xué)特性的影響。在兩種不同流速下，觀測到三個(gè)風(fēng)機(jī)的方向上的一個(gè)非均質(zhì)性特征。該研究表明，除了軸向和切向速度的測量，在徑向假設(shè)經(jīng)常發(fā)生錯(cuò)誤的渦輪機(jī)械領(lǐng)域里，徑向組成部分的速度也必須采集。結(jié)果表明，可以通過一些優(yōu)化的空間關(guān)系方程式預(yù)測湍流模型。但預(yù)測的水平仍有一些有待發(fā)展的地方。此外，研究還表明利用雷諾應(yīng)力模型預(yù)測的結(jié)果比通過一介的雷諾-納維爾-斯托克斯方程計(jì)算的值更優(yōu)化一些。湍流動(dòng)量是預(yù)測研究輻射噪聲的一種非常重要的有效的數(shù)據(jù)預(yù)測流體力學(xué)方法。前掃傾向與減少輻射組元的速度，而后尾卻呈現(xiàn)增加的趨勢。掃尾的結(jié)構(gòu)需仔細(xì)選取，其取決于風(fēng)機(jī)的冷卻方式。在我們一個(gè)有關(guān)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的例子中，徑向速度對(duì)