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罗茨风机噪音模型优化

罗茨风机噪音模型优化

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罗茨风机结构简单,但流道结构复杂,且是扩压流动,很易引起严重的分离流,同时又有动、静部件,不仅是不定常流,而且动、静部件间的间隙又产生二次流,所以风机内部流动是复杂的不定常三维流动,数值模拟十分困难。限于目前计算条件,工程上对罗茨风机流场的数值模拟均按准定常计算,且多采用相对简单、但很流行的湍流模型计算,但模型只适合于小分离流,也不能正确定量流动细节,但根据文献调研和我们的经验,对于气动力设计良好的罗茨风机,在设计工况附近,用湍流模型和准定常处理,对于风机的气动性能的数值预估是完全可以做到和实测结果吻合很好。另一方面,由于有了很多的关于风机三维粘性流动数值模拟结果,发现过去按一维、二维理想流的工程设计中的一些重要的经验数据(也可称为设计准则),其中许多需要修改。以罗茨风机而论,例如按Eck理论,最佳气流进口角为35.4°,设计时还应考虑有攻角,所以一般设计叶片几何进口角为37°~38°,实际上,按数值优化结果,可以小到27°;又如按工程方法,如全压不够,可增大叶片几何出口角来补救,但数值优化结果是叶片几何出口角到一定数值(如81°)后再增大,全压反而会下降;又如Eck认为进口加速系数应大于1,这样叶轮进口是加速流动,可减少进口分离,后来我们认为减少叶轮进口流动速度能改善叶轮流动,所以按经验,建议可取0.7~0.8,实际上按数值优化可小到0.6;其它还有一些准则也应该改变,这里不能一一而论。这些参数的变化,对罗茨风机的气动力图改变很大,对气动性能影响也很大,所以原有的工程方法需要改进。当然改进内容还应包括叶片流道的流型选取和提出新的结构等。如我们利用航空上吹气边界层控制原理,提出长短叶片开缝结构,缝隙大于10mm,可确保缝隙不会堵塞,这种结构可扩展罗茨风机工作的高效区,大大改善非设计工况性能。所有这些在现代设计方法中称为改进的工程设计方法。所以现代设计方法内容是:首先根据改进的工程设计方法给出综合性能较好的风机通道型线;然后数值模拟风机整机(包括进风口-叶轮-蜗壳,且考虑间隙)三维粘性流动,来分析比较其内部流场,为改进设计提供依据,同时进行优化计算,好中选优,优化目标是在满足风量和风压的前提下,效率越高越好;最后通过样机研制和现场性能试验来检验和修正设计方法并得到高性能产品。这里改进的工程设计方法是数值优化计算和高性能产品设计的基础,数值模拟是关键,其难点是如何使它对风机气动性能预估能和实测结果吻合。现场性能试验用来修正设计和改进数值模拟方法。经过这样多次循环,最后获得高性能的罗茨风机产品。由于数值模拟是现代设计方法的关键和难点,下面再专题叙述。应该指出,这种方法目前只能优化设计和预估罗茨风机气动性能,不能预估噪声,这是由于罗茨风机还无法预估噪声,而本方法中的改进工程设计已考虑到低噪声风机设计要求,这样,一般而言,高效率就意味着低噪声。

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