文/偵影探長
編輯/偵影探長
在風力發電領域，風輪葉片的流動具有重要意義。葉片尖端區是風輪受力最大的區域之一，直接影響到風能轉化效率以及葉片的結構和壽命。若要深入了解葉片尖端區的流動特性，需要在平均和湍流流動參數基礎上，先來看流體力學現象及流動拓撲結構的相關特征。
在該區域内鑒定了兩個尖端洩漏渦，并表現出迎流速度分量不足和顯著的湍流動能水準。
然後，使用速度膨脹率和葉片表面上的均方根壓力波動識别了噪聲源。在尖縫區域，由于尖端洩漏渦與尾邊的互相作用，觀察到了主要噪聲源位于葉片的尾部邊緣。
尖縫區域的壁壓力譜以及該區域内不同位置監測點之間的壓力波動相幹性顯示出尖端洩漏流的聲學貢獻主要在兩個頻率範圍内。第一個範圍對應于2 kHz至9 kHz之間的中頻，第二個範圍對應于10 kHz至25 kHz之間的高頻。采用動态模式跟蹤技術來跟蹤在給定頻率下識别的模态的演化情況。
使用(FWH)拟态法計算來自葉片的實體表面的遠場噪聲，該表面被分成兩部分：尖端區域(跨度的外15%)和葉片的其餘部分(跨度的下85%)，以分析這兩個區域的聲學貢獻。
最新水準
ECL5風扇級的尖端間隙噪聲與轉子葉片的尖縫間隙區的洩漏流有關，為了避免風扇旋轉葉片與機殼之間的接觸，在風扇級别的運作中，風扇葉片尖端與管殼之間必須保持徑向間隙。
這種間隙的存在導緻了高湍流和三維非定常的二次流的形成，是由于在葉片尖端區域的正壓面和負壓面之間的壓差。這種複雜的流動造成了氣動損失和噪聲的發射。
由Rains進行的關于尖端洩漏流的最早研究表明，在從壓力面到吸力面過渡時，葉片尖端的流動是垂直于彎曲線的。當與主流流動互相作用時，洩漏流被卷起，形成了尖端洩漏渦（TLV）。
這種渦旋結構表現出高度旋轉的特點，它們可能會與轉子葉片的尾緣和主流流動互相作用，産生強烈的非定常機制，這導緻氣動損失和噪聲的産生。尖端洩漏渦對渦輪機氣動性能的影響中，旋轉機械的效率對尖縫間隙的大小非常敏感，當尖縫間隙增大時，效率會顯著降低。
對軸流壓氣機的轉子進行實驗，察覺到從尖縫間隙尺寸為0.5%到尖縫間隙尺寸為5%的不同情況，其中尖縫間隙尺寸通過轉子跨度進行了歸一化。
結果顯示，尖縫間隙尺寸增大時，轉子的效率和壓縮率都降低。這部分是由于在機殼處邊界層的加厚引起的，這會産生一個堵塞效應，導緻尖端的切向速度分量減小。
在尖縫間隙尺寸最小的情況下，尖端洩漏流與主流流的互相作用最強烈。同時還觀察到，随着尖縫間隙尺寸的增大，吸力面和壓力面之間的最大壓差位置向葉片的尾緣移動。此外，對于最大的尖縫間隙尺寸，在尖縫間隙區域出現了強烈的環流區域。
在低速高壓比的風扇上通過實驗和數值模拟得出了類似的結果，發現将s的尺寸減小4倍可以提高7%的效率。此外，尖縫間隙尺寸對産生的噪聲的影響也得到了凸顯。當從s = 1.4%增加到s = 2.8%時，觀察到在370 Hz左右的噪聲水準增加了15 dB。
為了分析尖端洩漏流對空氣動力性能和噪聲排放的影響，Siegen大學的風扇試驗台進行了多項實驗。調查了不同的歸一化尖端間隙尺寸，範圍從 s = 0.5% 到 s = 5%。在額定運作速度下，當尖端間隙從 s = 0.5% 增加到 s = 5% 時，遠場噪聲水準（對于靠近轉子上遊1.3米處的麥克風）增加了10dB。
遠場聲譜中還出現了低于葉片通過頻率的音調，所産生的噪聲被歸因于尖端區域形成的相幹結構與葉片尖端之間的互相作用。這些相幹結構以低于葉片旋轉速度的速度旋轉。許多數值都是在孤立翼面結構上進行的，目的是分析翼尖洩漏流的特性，而不考慮渦輪機中發生的其他複雜機制。
在兩個平闆之間放置了一個NACA 5510翼型的參數，以觀察到入流速度大小、攻角和尖端間隙大小（s從1%變化到12%）對尖端洩漏流的拓撲和噪聲排放的影響。入流速度大小對尖端洩漏流的拓撲影響較小，而攻角和尖端間隙大小具有顯著影響。對于較大的攻角，翼型的氣動載荷增加，尖端洩漏流出現在翼型的前緣附近。
此外，還觀察到，随着尖端間隙尺寸的增大，尖端洩漏流中最大速度幅度的位置向後緣移動。在遠場聲學光譜中确定了兩個主要的噪聲源，第一個噪聲源的頻率在0.7 kHz到3.5 kHz之間，具有偶極性質，對應于由于尖端間隙區流動分離并通過後緣而産生的湍流結構。
第二個噪聲源的頻率為4 kHz~7 kHz，具有四極性質，與尖端洩漏流的剪切層中的渦旋有關。
不同的數值方法，如大渦模拟、帶向大渦模拟和晶格玻爾茲曼方法已經表明，尖端的主要噪聲源位于中弦和後緣之間。尖端間隙噪聲的主要貢獻分别在2 kHz和6 kHz左右，在壓力側具有較強的方向性。
為了接近真實的湍流二進制構型，對線性壓縮機級聯進行了多項驗證。7個NACA 65-1810機翼的級聯進行的實驗資料表明，在不同的翼尖間隙尺寸下，會形成三個翼尖渦流。
靠近前緣形成的翼尖洩漏渦流（TLV），沿翼尖壓力側緣形成的翼尖分離渦流（TSV），在弦中附近從間隙中流出，在翼尖吸氣側緣形成的次級渦流，與TSV互相作用。
在尖端洩漏流旁邊還可以觀察到一個感應渦，它以相反的方向旋轉，根據外殼上靜壓的最小值确定了尖端洩漏流的軌迹。
弗吉尼亞理工學院進行了一系列實驗，研究了低速線性壓縮機葉栅中尖端洩漏流的氣動特性，包括靜态和移動端壁。尖端洩漏流的特點是速度梯度強烈且湍流動能水準較高的區域。此外，還進行了多個數值模拟，以研究帶有尖端間隙的線性壓縮機葉栅的尖端洩漏流拓撲和相關噪聲源。
在帶有移動端壁的線性壓縮機葉栅上進行了不可壓縮的大渦模拟（LES），通過重要的流向和縱向渦度大小區域來确定尖端洩漏渦。葉栅端壁區域的粘性損失主要與縱向和縱向速度梯度有關。
通過使用類似肋條結構或渦流發生器來改變尖端洩漏噴流的方向，進而減少這些損失，使相關的縱向和縱向平均速度導數減小。通過直接數值模拟研究線性壓縮機葉栅中外殼和葉片之間的相對運動的效應，在相對運動存在的情況下，尖端洩漏渦被移向過道的中間部分，進而導緻其後方形成次生渦。
線性壓縮機葉栅的壁面可解算可壓縮大渦模拟（LES），以得出尖端洩漏渦的氣動和聲學行為。通過将氣動分析與動态模态分解技術相結合，可以确定主要的尖端噪聲機制。主要噪聲源位于弦長的75%左右，頻率在5 kHz到6 kHz之間。
為了考慮到葉輪機械結構中所有複雜的機制，如旋轉的影響，要對軸向壓縮機和線性級聯結構之間的尖端洩漏流拓撲結構進行了比較。
可以看出，線上性級聯的情況下，由于尖端洩漏流的上升而導緻的TLV形成發生在吸入側附近，這導緻壓力側的靜壓力增加，并造成顯著的損失。在軸向壓縮機的情況下，來自洩漏的高速射流與主流互相作用，産生強分離區域。
尖端洩漏渦還可能與尾緣處相鄰的葉片發生互相作用，并由于尖端洩漏渦中的高波動水準而産生顯著的噪聲源。在NASA和GE航空的一個稱為源診斷試驗（SDT）配置的風扇級上進行了實驗研究，其歸一化尖端間隙尺寸為s = 0.1%，以研究流動拓撲和噪聲源。
對SDT配置進行了大渦模拟（LES），從風扇/出口導向葉片（OGV）級配置和僅風扇的配置（無OGV）的噪聲水準比較，可以分離出主要噪聲源的貢獻，即轉子-定子互相作用噪聲和尖端洩漏噪聲。
尖端洩漏噪聲源的貢獻在6 kHz以下似乎是主導的，此外，使用LES對進近和回退工況下的尖端流動拓撲和相關噪聲進行比較。與進近工況相比，回退工況下觀察到更強的尖端洩漏渦，但與葉片的夾角較小。
尖端漏流噪聲機制
以簡化的方式介紹了經典尖端洩漏流的不同尖端渦和噪聲産生機制，圖1展示了尖端間隙區域中不同尖端渦和相關噪聲機制的示意圖。該視圖是從風扇的上遊觀察到的。
由于葉片尖端的正壓面和負壓面之間的壓力差異，形成了尖端洩漏流。這種流動卷曲起來形成尖端洩漏渦。同時可能還會形成一個感應渦，沿着尖端洩漏渦的相反方向旋轉。在尖端可能會發生流動分離，導緻尖端分離渦的形成。在這種複雜的流動拓撲中，可以确定并列舉了幾種噪聲産生機制，包括：
圖1.尖端間隙區域的流動拓撲和相關噪聲産生機制示意圖
- 葉片洩漏流與主流以及葉片間區域的葉尖分離渦的互相作用。與此源相關的聲音機制是四極的，預計對于大馬赫數最重要。
- 在一個葉片上産生的葉尖洩漏渦與相鄰葉片後緣的互相作用。與這個源相關的聲音機制在本質上是偶極的。
- 每個葉片上産生的尖端分離渦與同一葉片後緣的互相作用。與這個源相關的聲音機制在本質上是偶極的。
圖2.不同展向位置H下沿轉子葉片的平均等熵馬赫數Mis
結論
針對尺寸模型UHBR風扇級進行一次基于壁模型的LES模拟，重點了解了尖縫洩漏流拓撲和相關的尖縫區域噪聲。為了降低計算成本，考慮了一個具有單個葉片和兩個OGV的周期性扇區。
網格設計旨在確定聲波在感興趣的頻率範圍内能夠傳播到所有監測點，尖縫區域觀察到複雜的流動。使用瞬時和平均時間Q準則的等值面來識别渦旋結構。
多個尖縫渦形成：在葉片前緣附近存在一條馬蹄渦（HSV），第一條尖縫洩漏渦（TLV1）在距離前緣約20%到30%的弦長處産生，在大約70%的弦長處形成了尖縫分離渦（TSV）和第二條尖縫洩漏渦（TLV2），以及感應渦。
此位置對應于葉片兩側壓力差較大的區域，可在等熵馬赫數上觀察到。
螺旋度是渦度和速度向量的标準化點積，顯示感應渦與其他尖縫渦旋方向相反。複雜的尖縫流動拓撲可以通過葉片尖部的剖面來解釋，該剖面設計用于超聲速工況，但在此處在亞聲速條件下進行研究。
尖縫渦旋的特點是流向速度和俯仰速度降低，徑向速度分量發生顯著變化。這些渦旋也通過流向和俯仰渦度分量的較大值進行識别，這表明尖縫渦旋結構以螺旋方式演化。
速度波動、湍動動能以及湍動動能損失（用于測量湍動動能方程中的粘性耗散速率和熵方程中由于摩擦不可逆性引起的損失）在尖縫區域也表現出較大值。
通過渦度大小來分析尖縫渦旋TLV2、IV和TSV的軌迹。觀察到三個主要方向：
- 在弦長的60%至70%之間的第一個方向與葉片尖部平行，對應于TSV的演化。
- 在弦長的70%至110%之間的第二個方向與葉片尖部弦長成約30°的角度，對應于TSV與TLV2和IV的互相作用。
- 3.超過110%的第三個方向與葉片的尾流平行，并且對應于尖縫渦旋TLV2、TSV和IV與第一個尖縫洩漏渦TLV1以及主流的互相作用。渦度大小在下遊和徑向方向上迅速衰減。
通過瞬時的膨脹率和RMS壓力波動的等高線圖，可以确定主要噪聲源的位置。由于本研究中的馬赫數相對較低且無激波，主要噪聲源位于葉片表面。
在尾緣處的尖縫區域觀察到一個顯著的噪聲源，與兩種機制有關：一個葉片産生的TLV1的一部分與相鄰葉片的尾緣互相作用；一個葉片産生的尖縫渦旋TLV2、TSV和IV與同一葉片的尾緣互相作用。
後一種機制在葉片表面上産生了一個更高效的噪聲源，尖縫區域的壁面壓力譜展現出兩個主要的峰；第一個峰延伸從2 kHz到9 kHz，而第二個峰延伸從10 kHz到25 kHz。
通過在尖縫區域的多個監測點之間進行相幹性影響，這些峰與尖縫渦旋與葉片表面之間的互相作用機制相關聯。第一個峰與TLV1與相鄰葉片的尾緣互相作用有關，而第二個峰與尖縫渦旋TLV2、TSV和IV與尾緣的互相作用有關。
還進行了動态模式跟蹤（DMT）技術，以跟蹤三個不同頻率下主導模态的空間演化。在考慮的第一個和第三個頻率處，即壁面壓力譜的第一個和第二個峰的頻率範圍内，DMT結果顯示主導模态是來自葉片尖部區域的。
用于DMT的第二個頻率對應于導葉過頻的二次諧波，并顯示出在轉子葉片下遊産生的主導模态，這可能與轉子-定子互相作用噪聲有關，并向上遊方向傳播。
使用類比方法計算聲學遠場，為了比較不同噪聲源對遠場噪聲的貢獻，将葉片分為兩個區域：葉片外部的15%對應于葉片尖部，剩餘部分為另一個區域。
這種分解顯示了尖縫噪聲對遠場噪聲的主要貢獻，在壁面壓力譜的峰值頻率範圍内可見。它還顯示，在目前配置中，尖縫噪聲在高頻（超過2 kHz）和上遊方向成為一個顯著的噪聲源。
通過對平均和湍流流動參數的分析，成功地揭示了葉片尖端區的流動拓撲結構及其相關特征。發現在這個區域記憶體在着複雜的多相、湍流和非定常的流動現象。
平均流動參數的分析提供了關于流場均勻性和不均勻性的重要資訊，而湍流流動參數的研究揭示了流動的湍流結構。這些結果為優化葉片設計、提高風能轉化效率以及延長葉片壽命提供了理論依據。
通過結合葉片尖端區的流動拓撲結構與整體風力發電系統的性能參數，可以提出更具針對性的改進措施，提高整個系統的穩定性和能量轉化效率。