文/侦影探长
编辑/侦影探长
在风力发电领域，风轮叶片的流动具有重要意义。叶片尖端区是风轮受力最大的区域之一，直接影响到风能转化效率以及叶片的结构和寿命。若要深入了解叶片尖端区的流动特性，需要在平均和湍流流动参数基础上，先来看流体力学现象及流动拓扑结构的相关特征。
在该区域内鉴定了两个尖端泄漏涡，并表现出迎流速度分量不足和显著的湍流动能水平。
然后，使用速度膨胀率和叶片表面上的均方根压力波动识别了噪声源。在尖缝区域，由于尖端泄漏涡与尾边的相互作用，观察到了主要噪声源位于叶片的尾部边缘。
尖缝区域的壁压力谱以及该区域内不同位置监测点之间的压力波动相干性显示出尖端泄漏流的声学贡献主要在两个频率范围内。第一个范围对应于2 kHz至9 kHz之间的中频，第二个范围对应于10 kHz至25 kHz之间的高频。采用动态模式跟踪技术来跟踪在给定频率下识别的模态的演化情况。
使用(FWH)拟态法计算来自叶片的实体表面的远场噪声，该表面被分成两部分：尖端区域(跨度的外15%)和叶片的其余部分(跨度的下85%)，以分析这两个区域的声学贡献。
最新水平
ECL5风扇级的尖端间隙噪声与转子叶片的尖缝间隙区的泄漏流有关，为了避免风扇旋转叶片与机壳之间的接触，在风扇级别的运行中，风扇叶片尖端与管壳之间必须保持径向间隙。
这种间隙的存在导致了高湍流和三维非定常的二次流的形成，是由于在叶片尖端区域的正压面和负压面之间的压差。这种复杂的流动造成了气动损失和噪声的发射。
由Rains进行的关于尖端泄漏流的最早研究表明，在从压力面到吸力面过渡时，叶片尖端的流动是垂直于弯曲线的。当与主流流动相互作用时，泄漏流被卷起，形成了尖端泄漏涡（TLV）。
这种涡旋结构表现出高度旋转的特点，它们可能会与转子叶片的尾缘和主流流动相互作用，产生强烈的非定常机制，这导致气动损失和噪声的产生。尖端泄漏涡对涡轮机气动性能的影响中，旋转机械的效率对尖缝间隙的大小非常敏感，当尖缝间隙增大时，效率会显著降低。
对轴流压气机的转子进行实验，察觉到从尖缝间隙尺寸为0.5%到尖缝间隙尺寸为5%的不同情况，其中尖缝间隙尺寸通过转子跨度进行了归一化。
结果显示，尖缝间隙尺寸增大时，转子的效率和压缩率都降低。这部分是由于在机壳处边界层的加厚引起的，这会产生一个堵塞效应，导致尖端的切向速度分量减小。
在尖缝间隙尺寸最小的情况下，尖端泄漏流与主流流的相互作用最强烈。同时还观察到，随着尖缝间隙尺寸的增大，吸力面和压力面之间的最大压差位置向叶片的尾缘移动。此外，对于最大的尖缝间隙尺寸，在尖缝间隙区域出现了强烈的环流区域。
在低速高压比的风扇上通过实验和数值模拟得出了类似的结果，发现将s的尺寸减小4倍可以提高7%的效率。此外，尖缝间隙尺寸对产生的噪声的影响也得到了凸显。当从s = 1.4%增加到s = 2.8%时，观察到在370 Hz左右的噪声水平增加了15 dB。
为了分析尖端泄漏流对空气动力性能和噪声排放的影响，Siegen大学的风扇试验台进行了多项实验。调查了不同的归一化尖端间隙尺寸，范围从 s = 0.5% 到 s = 5%。在额定运行速度下，当尖端间隙从 s = 0.5% 增加到 s = 5% 时，远场噪声水平（对于靠近转子上游1.3米处的麦克风）增加了10dB。
远场声谱中还出现了低于叶片通过频率的音调，所产生的噪声被归因于尖端区域形成的相干结构与叶片尖端之间的相互作用。这些相干结构以低于叶片旋转速度的速度旋转。许多数值都是在孤立翼面结构上进行的，目的是分析翼尖泄漏流的特性，而不考虑涡轮机中发生的其他复杂机制。
在两个平板之间放置了一个NACA 5510翼型的参数，以观察到入流速度大小、攻角和尖端间隙大小（s从1%变化到12%）对尖端泄漏流的拓扑和噪声排放的影响。入流速度大小对尖端泄漏流的拓扑影响较小，而攻角和尖端间隙大小具有显著影响。对于较大的攻角，翼型的气动载荷增加，尖端泄漏流出现在翼型的前缘附近。
此外，还观察到，随着尖端间隙尺寸的增大，尖端泄漏流中最大速度幅度的位置向后缘移动。在远场声学光谱中确定了两个主要的噪声源，第一个噪声源的频率在0.7 kHz到3.5 kHz之间，具有偶极性质，对应于由于尖端间隙区流动分离并通过后缘而产生的湍流结构。
第二个噪声源的频率为4 kHz~7 kHz，具有四极性质，与尖端泄漏流的剪切层中的涡旋有关。
不同的数值方法，如大涡模拟、带向大涡模拟和晶格玻尔兹曼方法已经表明，尖端的主要噪声源位于中弦和后缘之间。尖端间隙噪声的主要贡献分别在2 kHz和6 kHz左右，在压力侧具有较强的方向性。
为了接近真实的湍流二元构型，对线性压缩机级联进行了多项取证。7个NACA 65-1810机翼的级联进行的实验数据表明，在不同的翼尖间隙尺寸下，会形成三个翼尖涡流。
靠近前缘形成的翼尖泄漏涡流（TLV），沿翼尖压力侧缘形成的翼尖分离涡流（TSV），在弦中附近从间隙中流出，在翼尖吸气侧缘形成的次级涡流，与TSV相互作用。
在尖端泄漏流旁边还可以观察到一个感应涡，它以相反的方向旋转，根据外壳上静压的最小值确定了尖端泄漏流的轨迹。
弗吉尼亚理工学院进行了一系列实验，研究了低速线性压缩机叶栅中尖端泄漏流的气动特性，包括静态和移动端壁。尖端泄漏流的特点是速度梯度强烈且湍流动能水平较高的区域。此外，还进行了多个数值模拟，以研究带有尖端间隙的线性压缩机叶栅的尖端泄漏流拓扑和相关噪声源。
在带有移动端壁的线性压缩机叶栅上进行了不可压缩的大涡模拟（LES），通过重要的流向和纵向涡度大小区域来确定尖端泄漏涡。叶栅端壁区域的粘性损失主要与纵向和纵向速度梯度有关。
通过使用类似肋条结构或涡流发生器来改变尖端泄漏喷流的方向，从而减少这些损失，使相关的纵向和纵向平均速度导数减小。通过直接数值模拟研究线性压缩机叶栅中外壳和叶片之间的相对运动的效应，在相对运动存在的情况下，尖端泄漏涡被移向过道的中间部分，从而导致其后方形成次生涡。
线性压缩机叶栅的壁面可解算可压缩大涡模拟（LES），以得出尖端泄漏涡的气动和声学行为。通过将气动分析与动态模态分解技术相结合，可以确定主要的尖端噪声机制。主要噪声源位于弦长的75%左右，频率在5 kHz到6 kHz之间。
为了考虑到叶轮机械结构中所有复杂的机制，如旋转的影响，要对轴向压缩机和线性级联结构之间的尖端泄漏流拓扑结构进行了比较。
可以看出，在线性级联的情况下，由于尖端泄漏流的上升而导致的TLV形成发生在吸入侧附近，这导致压力侧的静压力增加，并造成显著的损失。在轴向压缩机的情况下，来自泄漏的高速射流与主流相互作用，产生强分离区域。
尖端泄漏涡还可能与尾缘处相邻的叶片发生相互作用，并由于尖端泄漏涡中的高波动水平而产生显著的噪声源。在NASA和GE航空的一个称为源诊断试验（SDT）配置的风扇级上进行了实验研究，其归一化尖端间隙尺寸为s = 0.1%，以研究流动拓扑和噪声源。
对SDT配置进行了大涡模拟（LES），从风扇/出口导向叶片（OGV）级配置和仅风扇的配置（无OGV）的噪声水平比较，可以分离出主要噪声源的贡献，即转子-定子相互作用噪声和尖端泄漏噪声。
尖端泄漏噪声源的贡献在6 kHz以下似乎是主导的，此外，使用LES对进近和回退工况下的尖端流动拓扑和相关噪声进行比较。与进近工况相比，回退工况下观察到更强的尖端泄漏涡，但与叶片的夹角较小。
尖端漏流噪声机制
以简化的方式介绍了经典尖端泄漏流的不同尖端涡和噪声产生机制，图1展示了尖端间隙区域中不同尖端涡和相关噪声机制的示意图。该视图是从风扇的上游观察到的。
由于叶片尖端的正压面和负压面之间的压力差异，形成了尖端泄漏流。这种流动卷曲起来形成尖端泄漏涡。同时可能还会形成一个感应涡，沿着尖端泄漏涡的相反方向旋转。在尖端可能会发生流动分离，导致尖端分离涡的形成。在这种复杂的流动拓扑中，可以确定并列举了几种噪声产生机制，包括：
图1.尖端间隙区域的流动拓扑和相关噪声产生机制示意图
- 叶片泄漏流与主流以及叶片间区域的叶尖分离涡的相互作用。与此源相关的声音机制是四极的，预计对于大马赫数最重要。
- 在一个叶片上产生的叶尖泄漏涡与相邻叶片后缘的相互作用。与这个源相关的声音机制在本质上是偶极的。
- 每个叶片上产生的尖端分离涡与同一叶片后缘的相互作用。与这个源相关的声音机制在本质上是偶极的。
图2.不同展向位置H下沿转子叶片的平均等熵马赫数Mis
结论
针对尺寸模型UHBR风扇级进行一次基于壁模型的LES模拟，重点了解了尖缝泄漏流拓扑和相关的尖缝区域噪声。为了降低计算成本，考虑了一个具有单个叶片和两个OGV的周期性扇区。
网格设计旨在确保声波在感兴趣的频率范围内能够传播到所有监测点，尖缝区域观察到复杂的流动。使用瞬时和平均时间Q准则的等值面来识别涡旋结构。
多个尖缝涡形成：在叶片前缘附近存在一条马蹄涡（HSV），第一条尖缝泄漏涡（TLV1）在距离前缘约20%到30%的弦长处产生，在大约70%的弦长处形成了尖缝分离涡（TSV）和第二条尖缝泄漏涡（TLV2），以及感应涡。
此位置对应于叶片两侧压力差较大的区域，可在等熵马赫数上观察到。
螺旋度是涡度和速度向量的标准化点积，显示感应涡与其他尖缝涡旋方向相反。复杂的尖缝流动拓扑可以通过叶片尖部的剖面来解释，该剖面设计用于超声速工况，但在此处在亚声速条件下进行研究。
尖缝涡旋的特点是流向速度和俯仰速度降低，径向速度分量发生显著变化。这些涡旋也通过流向和俯仰涡度分量的较大值进行识别，这表明尖缝涡旋结构以螺旋方式演化。
速度波动、湍动动能以及湍动动能损失（用于测量湍动动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损失）在尖缝区域也表现出较大值。
通过涡度大小来分析尖缝涡旋TLV2、IV和TSV的轨迹。观察到三个主要方向：
- 在弦长的60%至70%之间的第一个方向与叶片尖部平行，对应于TSV的演化。
- 在弦长的70%至110%之间的第二个方向与叶片尖部弦长成约30°的角度，对应于TSV与TLV2和IV的相互作用。
- 3.超过110%的第三个方向与叶片的尾流平行，并且对应于尖缝涡旋TLV2、TSV和IV与第一个尖缝泄漏涡TLV1以及主流的相互作用。涡度大小在下游和径向方向上迅速衰减。
通过瞬时的膨胀率和RMS压力波动的等高线图，可以确定主要噪声源的位置。由于本研究中的马赫数相对较低且无激波，主要噪声源位于叶片表面。
在尾缘处的尖缝区域观察到一个显著的噪声源，与两种机制有关：一个叶片产生的TLV1的一部分与相邻叶片的尾缘相互作用；一个叶片产生的尖缝涡旋TLV2、TSV和IV与同一叶片的尾缘相互作用。
后一种机制在叶片表面上产生了一个更高效的噪声源，尖缝区域的壁面压力谱展现出两个主要的峰；第一个峰延伸从2 kHz到9 kHz，而第二个峰延伸从10 kHz到25 kHz。
通过在尖缝区域的多个监测点之间进行相干性影响，这些峰与尖缝涡旋与叶片表面之间的相互作用机制相关联。第一个峰与TLV1与相邻叶片的尾缘相互作用有关，而第二个峰与尖缝涡旋TLV2、TSV和IV与尾缘的相互作用有关。
还进行了动态模式跟踪（DMT）技术，以跟踪三个不同频率下主导模态的空间演化。在考虑的第一个和第三个频率处，即壁面压力谱的第一个和第二个峰的频率范围内，DMT结果显示主导模态是来自叶片尖部区域的。
用于DMT的第二个频率对应于导叶过频的二次谐波，并显示出在转子叶片下游产生的主导模态，这可能与转子-定子相互作用噪声有关，并向上游方向传播。
使用类比方法计算声学远场，为了比较不同噪声源对远场噪声的贡献，将叶片分为两个区域：叶片外部的15%对应于叶片尖部，剩余部分为另一个区域。
这种分解显示了尖缝噪声对远场噪声的主要贡献，在壁面压力谱的峰值频率范围内可见。它还显示，在当前配置中，尖缝噪声在高频（超过2 kHz）和上游方向成为一个显著的噪声源。
通过对平均和湍流流动参数的分析，成功地揭示了叶片尖端区的流动拓扑结构及其相关特征。发现在这个区域内存在着复杂的多相、湍流和非定常的流动现象。
平均流动参数的分析提供了关于流场均匀性和不均匀性的重要信息，而湍流流动参数的研究揭示了流动的湍流结构。这些结果为优化叶片设计、提高风能转化效率以及延长叶片寿命提供了理论依据。
通过结合叶片尖端区的流动拓扑结构与整体风力发电系统的性能参数，可以提出更具针对性的改进措施，提高整个系统的稳定性和能量转化效率。