有叶扩压器离心压气机频域分析

涡轮增压器作为一种增压装置，主要用于改善内燃机的动力性、经济性以及排放性，是内燃机发展的重要标志，但是增压型内燃机给汽车噪声和振动以及道路交通噪声带来了新的问题。汽车噪声主要包括发动机噪声、轮胎噪声和传动机构噪声等，其中发动机噪声是汽车噪声超标的主要噪声源，而由涡轮增压器离心压气机产生的气动噪声则是发动机噪声主要因素之一［1-2］。

离心压气机内部流动非常复杂。受到旋转和表面曲率的影响，叶轮机械内部常出现的流动现象包括边界层流动分离、脱流、回流；叶轮旋转失速；由于间隙的存在形成二次流动，将引起的涡流，包括泄漏涡、尾缘涡、角涡、通道涡以及刮壁涡等；当为超音速流动时，来流与叶片相互作用将形成激波，激波与激波之间存在相互干扰，激波与二次流形成的涡流也会产生相互干扰；叶片高速运转会引起颤振、抖振等现象；叶片排间相互干扰；动静叶片尾迹由于复杂结构产生的复杂流动等［3］。大量的实验和理论研究表明：对于高速离心压气机由运动部分来流与静止部分周期性相互干涉所引发的，与叶片的通过频率及通过频率的n次谐波有关的离散噪声为其主要噪声源［4-5］。

文中以某型带有叶扩压器高速离心压气机为研究对象，对其内部进行非定常流场计算，然后结合时域和频域的方法对内部压力脉动的强度和频率进行分析，从而确定压气机产生的噪声类型。

1 基本参数及数值模拟方法

1.1 有叶扩压器离心压气机基本参数

以某型涡轮增压器带有叶扩压器离心压气机为研究对象，该离心压气机由进气道、离心叶轮（图1 a）、有叶扩压器（图1 b）组成。其中离心叶轮的主、分流叶片为高度扭曲的曲面，包含8个主叶片和8个分流叶片，叶顶间隙为0.5mm，扩压器的叶片数为19。

午餐时，她突然发现她的那份工作餐多了盒草莓，一颗颗拥簇在餐盒之中，鲜嫩欲滴，饱满圆润。这是虚拟零件在头脑反映的假草莓，食用口感、营养成分、香气都通过计算机模拟或转介替代，转移到“草莓”的食物类虚拟零件之中。她用指尖触了一下，草莓表面密密麻麻小粒的凸起上还残留着的细密的水滴。

3.2 咖啡碱是一类嘌呤类生物碱，是也茶叶特征性成分之一，占茶叶干重的2%～4%[17]。本研究以0.2 mg/mL的咖啡碱作为代谢底物添加到冠突散囊菌的发酵培养基中，考察咖啡碱与冠突散囊菌间相互影响，结果表明，该浓度的咖啡碱的添加对冠突散囊菌的生长繁殖，

  

图1 离心压气机模型

1.2 计算网格生成

由各截面叶轮流道静压分布可知，经过叶轮静压值逐渐增大。主、分流叶片前缘及尾缘、扩压器流道内静压力分布相对复杂。在叶片前缘吸力面形成一片蓝色的低压区，这与叶片前缘间隙流、泄漏流动等有关。对于不同的截面，低压区随着流动发展均逐渐消失。叶片尾缘分流叶片与主叶片之间存在由尾迹涡流和尾部旋涡引起的局部高压区。气体经过叶轮和扩压器动静交界面进入扩压器，由扩压器中截面静压分布放大图（图5）可知：扩压器进口凹面处可见低压区，同时在叶片入口凸面一侧可见小范围高压区，扩压器出口压力波动较明显。综合分析可知：压气机叶轮扩压器流道内压力脉动主要集中在主、分流叶片前缘及尾缘，叶轮和扩压器的动静交界面处，有叶扩压器的叶片前缘及尾缘等，这些部位将作为噪声分析的关键位置。

  

图2 离心压气机全周网格

1.3 数值模拟方法

计算得到压气机运行稳定后非定常流动不同截面处的压力脉动云图如图4所示。

进行非定常计算时在压气机内部设置静压监测点（图3），计算结束后，提取压气机达到稳定运行状态的压力脉动数据进行时域和频域特性分析，如图6所示，预测噪声源主要位置及噪声类型。非定常计算的工况点转速n为45 600 r·min-1，体积流量QV为2.24m3·s-1。

计算过程中在流场内布满静压监测点，见图3。

  

图3 典型监测点示意图

2 压气机非定常计算流场分析

以定常计算结果为初场，进行压气机非定常流动计算。选择压气机的一个工况点进行非定常流动分析，转速 n 为 45 600 r·min-1，体积流量 QV为2.24 m3·s-1。同一工况点定常计算与非定常计算所得压气机性能参数时均值如表1所示。由表1可知：当流量一定时，二者计算结果不同，非定常计算所得的压比和效率均大于定常计算所得，但相差甚小，可以忽略不计。

在计算过程中假定：流场内工作介质为连续可压缩气体；工质内能和密度的变化量为0；叶轮和扩压器叶片均为刚体；流体经由叶轮入口流入，扩压器出口流出，忽略容积损失及流体的散热；对固体壁面取不渗透、无滑移、绝热的边界条件；离心叶轮与扩压器的交界面设为TRANSIENT ROTORSTATOR。

其实这样“临难抱佛脚”的事，并不止韩冬炎一例——原安远县委书记邝光华以官车的后备厢先后笑纳了商人谢祚珍用四个米粉箱装满的370万现金。谢老板出事了，邝书记惶惶不可终日，赶紧拜神灵求符咒让他“平安过关”，直到邝光华被带走的那一刻，他身上还挂着六七件符和古钱，腰间还绑着救命的“经文”！

 

表1 定常结果与非定常结果对比

  

特性参数压比效率定常结果4.145 0.834非定常结果4.157 0.839二者差值0.012 0.005

  

图4 压力脉动云图

NUMECA自带的专门的叶轮机械自动网格划分模块AutoGrid可以方便地划分离心叶轮单通道高质量多块结构化网格，并且可以实现与CFX良好的耦合。文中选择采用AutoGrid5划分离心叶轮单通道网格和扩压器单通道网格，将单通道网格进行旋转复制就可以得到全周网格，如图2所示，网格总数为4322304。

  

图5 扩压器压力分布放大图

3 压气机非定常流动频域分析

边界条件根据实验已知特性曲线给定进口总压、进口总温以及出口静压，轴向进气，选用标准k-ε湍流模型，空气密度为1.225 kg·m-3，计算结果以残差达到10-5为收敛标准，此标准满足工程应用的要求。每一个非定常计算都是在稳态计算充分收敛的基础上开始。计算总时间即压气机转5圈的时间为0.006 58 s，压气机旋转1°时长为时间步长，经计算为3.66×10-7s，内部迭代步数为20。

“精忠冲日月，义气贯乾坤。面赤心尤赤，须长义更长。”提起大英雄关羽，大家一定非常熟悉。关羽是三国时期蜀国的“五虎大将”之一，帮助刘备四处征战，过五关斩六将，督师荆州。他的忠杰大义，在历史上流传千年不衰。

文中的压气机额定转速为45 600 r·min-1，则对应的旋转叶轮基频（轴频）为

 

通过分析频谱图可知：在叶轮入口以及叶轮叶片前缘附近P1～P5监测点监测到的最大脉动振幅均在轴频760 Hz处，在2倍轴频1 520 Hz也监测到较大的脉动振幅，但是其大小仅为轴频引发脉动幅值的1/4左右。由此判断，叶轮入口附近噪声源主要为由叶尖不规则运动与静子相互干涉引起的离散噪声。位于旋转叶轮尾部的监测点P6～P9捕捉到8倍、16倍、24倍、32倍轴频处的脉动幅值，其中8倍基频对应8支主叶片同时扫过同一位置频率，为主叶片通过频率。16倍基频对应16支叶片同时扫过同一位置的频率，称作整周叶轮叶片通过频率。在叶轮尾部由整周叶轮叶片通过频率所引起的脉动效应最强烈，脉动幅值接近8 000 Pa，远大于其他频率的脉动幅值。整周叶轮叶片通过频率二次谐波引起的脉动能量其次，但也仅为整周叶轮叶片通过频率引起脉动能量的1/4左右。由此得出：叶轮尾部引起噪声的湍流脉动是由16支叶片共同作用结果，噪声源类型主要表现为叶轮尾迹流动与静子相互干涉所引起的与叶片通过频率相关的离散噪声。位于有叶扩压器流道内监测点P11～P12捕捉到主叶片通过频率及其谐波处的强压力脉动，其中叶片通过频率处最大脉动幅值接近5 000 Pa。点P11位于扩压器前缘，受到叶轮高速气流的影响，在6次谐波处压力脉动仍然明显。由频域特性得出：扩压器流道内湍流脉动主要受到8支主叶片扰动作用，噪声源类型为叶轮尾迹流动与静子相互干涉所引起的与叶片通过频率相关的离散噪声，但是噪声级相比于叶轮尾部有所减弱。

  

图6 监测点频谱图

4 结论

在叶轮尾部由整周叶轮叶片通过频率所引起的脉动效应最强烈，脉动幅值接近8 000 Pa。叶轮尾部引起噪声的湍流脉动是由16支叶片共同作用结果，噪声源类型主要为叶轮尾迹流动与静子相互干涉所引起的与叶片通过频率相关的离散噪声。

参考文献：

［1］蔡军.增压器振动与噪声在线检测的研究［D］.北京：北京理工大学，2006.

［2］李惠彬，周江伟.车用涡轮增压器噪声与振动机理和控制［D］.北京：机械工业出版社，2012.

［3］Moore J,Moore J G.Three Dimensional Viscous Flow Calculations for Qssessing the Thermodynamic Performance of Centrifugal Compressors of the Eckardt Compressor［J］.ASMEJournalofEngineeringforPower，1981：307-372.

［4］祁明旭，原野，马朝臣.离心压气机非定常流动频域特性［J］.工程热物理学报，2009，30（9）：1475-1478.

［5］Neise W.Review of the Noise Reduction in Centrifugal Fan［J］.Journal of Engineering and Industry，1992（104）:151-161.