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羅茨風機噪音模型優(yōu)化

羅茨風機噪音模型優(yōu)化

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羅茨風機結構簡單,但流道結構復雜,且是擴壓流動,很易引起嚴重的分離流,同時又有動、靜部件,不僅是不定常流,而且動、靜部件間的間隙又產生二次流,所以風機內部流動是復雜的不定常三維流動,數(shù)值模擬十分困難。限于目前計算條件,工程上對羅茨風機流場的數(shù)值模擬均按準定常計算,且多采用相對簡單、但很流行的湍流模型計算,但模型只適合于小分離流,也不能正確定量流動細節(jié),但根據(jù)文獻調研和我們的經驗,對于氣動力設計良好的羅茨風機,在設計工況附近,用湍流模型和準定常處理,對于風機的氣動性能的數(shù)值預估是完全可以做到和實測結果吻合很好。另一方面,由于有了很多的關于風機三維粘性流動數(shù)值模擬結果,發(fā)現(xiàn)過去按一維、二維理想流的工程設計中的一些重要的經驗數(shù)據(jù)(也可稱為設計準則),其中許多需要修改。以羅茨風機而論,例如按Eck理論,最佳氣流進口角為35.4°,設計時還應考慮有攻角,所以一般設計葉片幾何進口角為37°~38°,實際上,按數(shù)值優(yōu)化結果,可以小到27°;又如按工程方法,如全壓不夠,可增大葉片幾何出口角來補救,但數(shù)值優(yōu)化結果是葉片幾何出口角到一定數(shù)值(如81°)后再增大,全壓反而會下降;又如Eck認為進口加速系數(shù)應大于1,這樣葉輪進口是加速流動,可減少進口分離,后來我們認為減少葉輪進口流動速度能改善葉輪流動,所以按經驗,建議可取0.7~0.8,實際上按數(shù)值優(yōu)化可小到0.6;其它還有一些準則也應該改變,這里不能一一而論。這些參數(shù)的變化,對羅茨風機的氣動力圖改變很大,對氣動性能影響也很大,所以原有的工程方法需要改進。當然改進內容還應包括葉片流道的流型選取和提出新的結構等。如我們利用航空上吹氣邊界層控制原理,提出長短葉片開縫結構,縫隙大于10mm,可確保縫隙不會堵塞,這種結構可擴展羅茨風機工作的高效區(qū),大大改善非設計工況性能。所有這些在現(xiàn)代設計方法中稱為改進的工程設計方法。所以現(xiàn)代設計方法內容是:首先根據(jù)改進的工程設計方法給出綜合性能較好的風機通道型線;然后數(shù)值模擬風機整機(包括進風口-葉輪-蝸殼,且考慮間隙)三維粘性流動,來分析比較其內部流場,為改進設計提供依據(jù),同時進行優(yōu)化計算,好中選優(yōu),優(yōu)化目標是在滿足風量和風壓的前提下,效率越高越好;最后通過樣機研制和現(xiàn)場性能試驗來檢驗和修正設計方法并得到高性能產品。這里改進的工程設計方法是數(shù)值優(yōu)化計算和高性能產品設計的基礎,數(shù)值模擬是關鍵,其難點是如何使它對風機氣動性能預估能和實測結果吻合。現(xiàn)場性能試驗用來修正設計和改進數(shù)值模擬方法。經過這樣多次循環(huán),最后獲得高性能的羅茨風機產品。由于數(shù)值模擬是現(xiàn)代設計方法的關鍵和難點,下面再專題敘述。應該指出,這種方法目前只能優(yōu)化設計和預估羅茨風機氣動性能,不能預估噪聲,這是由于羅茨風機還無法預估噪聲,而本方法中的改進工程設計已考慮到低噪聲風機設計要求,這樣,一般而言,高效率就意味著低噪聲。

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