低比轉(zhuǎn)速混流式水輪機(jī)流動噪聲數(shù)值模擬.pdf

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1、第32卷第8期水電能源科學(xué)VoL32No．82014年8月WaterResourcesandPowerAug．20-14文章編號：1000—7709(2014)08—0153—04低比轉(zhuǎn)速混流式水輪機(jī)流動噪聲數(shù)值模擬王惠芝，周大慶，張藍(lán)國(河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院，江蘇南京211100)摘要：為預(yù)測低比轉(zhuǎn)速混流式水輪機(jī)的主要流動噪聲，采用重整化群RNG—e模型和FW-H模型，計(jì)算了不同導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪葉片徑向間距時水輪機(jī)導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪壁面上壓力脈動構(gòu)成的偶極子聲源產(chǎn)生的流動噪聲，分析了導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪葉片徑向間距對水輪機(jī)壓力脈動及噪聲特性的影響

2、，以及壓力脈動與流動噪聲之間的關(guān)系。結(jié)果表明，導(dǎo)葉末端和轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)口背面壓力脈動最劇烈，是主要的偶極子噪聲源，壓力脈動和流動噪聲的離散噪聲在葉頻及其諧頻處出現(xiàn)峰值；隨導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪葉片徑向間距增大，壓力脈動幅值減小，流動噪聲減小，因此適當(dāng)增大水輪機(jī)導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪葉片徑向間距是一種有效降低流動噪聲的途徑。關(guān)鍵詞：低比轉(zhuǎn)速；混流式水輪機(jī)；流動噪聲；數(shù)值模擬中圖分類號：TV31．2；TH312文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A1引言2水輪機(jī)模型水力機(jī)械工作時所產(chǎn)生的噪聲主要包括機(jī)械2．1三維模型及網(wǎng)格劃分噪聲和流動噪聲，隨著機(jī)械制造工藝的提高，有效選用的低比轉(zhuǎn)

3、速混流式水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速為5O降低了機(jī)械噪聲，流動噪聲就成為水輪機(jī)的主要m·kw，用于水動冷卻塔代替電機(jī)驅(qū)動風(fēng)機(jī)。模噪聲源。對此，TimouehevS等通過數(shù)值計(jì)算型由蝸殼、17個固定導(dǎo)葉、17個葉片的轉(zhuǎn)輪和尾與試驗(yàn)相結(jié)合的方法研究了離心泵噪聲頻譜中葉水管組成，見圖1。設(shè)計(jì)性能參數(shù)流量Q===1．389片通過頻率(BPF)成分；熊海芳等l_2總結(jié)了離心m／s，水頭H一13．5m，轉(zhuǎn)速一110r／rain，轉(zhuǎn)輪泵內(nèi)部流動誘導(dǎo)噪聲的兩種測試方法；黃俊雄進(jìn)口直徑D一1．2Om，出口直徑D2—0．64m。等基于商用軟件Fluent建立了離

4、心泵流動噪蝸聲數(shù)值仿真方法，分析了泵內(nèi)壓力脈動的成因，提出了改善聲學(xué)性能的葉輪優(yōu)化設(shè)計(jì)思路；王宏光等¨4應(yīng)用計(jì)算流體動力學(xué)軟件Fluent和聲學(xué)軟件LMSVirtualLab研究了軸流泵內(nèi)部壓力脈動和流動噪聲在不同工況下的變化規(guī)律及其關(guān)系。這些研究主要集中于泵的流動噪聲模擬，而對水圖1低比轉(zhuǎn)速混流式水輪機(jī)示憊圖Fig．1Schematicdiagramoffrancisturbine輪機(jī)方面的相關(guān)研究較少。對于低比轉(zhuǎn)速混流式withlowspecificspeed水輪機(jī)，轉(zhuǎn)輪呈扁平狀、導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪葉片距離近的特點(diǎn)使水輪機(jī)流道內(nèi)水

5、流不規(guī)則運(yùn)動更加劇烈，采用Gambit軟件對流體計(jì)算域劃分網(wǎng)格，機(jī)組在運(yùn)行過程中輻射出較大的流動噪聲。鑒考慮到模型的形狀復(fù)雜，采用適應(yīng)性強(qiáng)的非結(jié)構(gòu)此，本文利用Fluent軟件對低比轉(zhuǎn)速混流式水輪化網(wǎng)格，經(jīng)過網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，最終生成的網(wǎng)格總機(jī)的主要流動噪聲進(jìn)行預(yù)測分析，以期為低比轉(zhuǎn)數(shù)為1401768個，其中蝸殼部分424700個，導(dǎo)速混流式水輪機(jī)噪聲控制提供依據(jù)。葉100000個，轉(zhuǎn)輪502016個，尾水管375052個。收稿日期：2013-11-19，修回日期：2014-01—12基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51106O4

6、2)作者簡介：王惠芝(1989一)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)榱黧w機(jī)械工程，E—mail：wang—hui—zhi@163．com通訊作者：周大慶(1976一)，男，副教授，研究方向?yàn)榱黧w機(jī)械工程，E—mail：zhoudaqing@hhu．edu．cn·154·水電能源科學(xué)2．2數(shù)學(xué)模型計(jì)算的流場為初始條件，進(jìn)行非定常計(jì)算，修改動2．2．1非定常計(jì)算模型靜部件的耦合模型為滑移網(wǎng)格模型；湍流粘度項(xiàng)描述水輪機(jī)內(nèi)部流場瞬時流動狀態(tài)的基本控采用二階迎風(fēng)格式，在時間域上采用二階全隱格制方程組(N—S方程)[53為：式進(jìn)行離散，時間步長

7、設(shè)置為0．001S，流場內(nèi)壓+()_O(1)力脈動的周期性變化穩(wěn)定后，選擇Fw—H模型，將導(dǎo)葉區(qū)與轉(zhuǎn)輪區(qū)的所有固體壁面設(shè)置為聲源，十一aP+aeo3taz3xddz(一2)并選擇輸出聲源面上壓力脈動數(shù)據(jù)，在距轉(zhuǎn)輪中z心3ITI處設(shè)一外場監(jiān)測點(diǎn)，以獲得聲壓隨時間的其中eo一(+一號罄)變化曲線。式中，．0為流體密度；t為時間；z、32，、．92為坐標(biāo)分步驟3非定常計(jì)算結(jié)束后，讀取計(jì)算過程量；U、、U均為時均速度分量；P為時均壓力；中保存的導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪壁面上壓力脈動數(shù)據(jù)，帶人為粘性應(yīng)力張量；為Kronecker函數(shù)。波動方程，計(jì)算得

8、到監(jiān)測點(diǎn)聲壓信號。重整化群RNGfc一￡湍流模型_6中的湍動能和湍流耗散率e的約束方程分別為：3結(jié)果與分析+一3“a。axjl““考az，]l+。一+’P￡?㈦3．1壓力脈動分析a+。3x_殺a．zJl～?亳a]l+。分別對導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪葉片徑向間距為17、25、33mm時的模型