叶片弯掠轴流风扇内瞬态流动的试验研究

Experimental Investigation of Unsteady Flow in Circumferential SkewedAxial Fans at Off-design ConditionsJIN Guangyuan OUYANG Hua DU Zhaohuif 1.School of Mechanical Engineering，Jiangnan University，Wuxi 2 1 4 1 22；2.School of Mechanical Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240)Abstract： The unsteady characteristic of the inner flow in lower pressure axial fans with circumferential forward-skewed blades，backward-skewed blades is investigated experimentally at of-design conditions.The un steady three-dimensional flow incircumferential skewed rotors upstream and downstream according to flow rates is successfully measured with a NI data collectionplatform and a hot-wire CTA unit(with a X probe).Based on the measurement results，axial，circumferential and radial componentsofthe averaged velocity and turbulent velocity are analyzed to obtain the aerodynamic performance of circum ferential skewed rotors；and the turbulent intensity，Reynold tensor and velocity spectrum are discussed to investigate the intrinsic unsteady flow in theserotors.The results show that the three-dimensional flow is captured by this measure system，which can be used for multi-physicsmeasurement；the circumferential skewed blades are found to control the unsteady flow in the shroud and hub region at of-design conditions to expand stable operation；the inlet disturbed flow under of-design conditions was observed in the shroud and hub region，with low frequency an d wide band characteristic。

Key words：Hot-wire Axial flow fan Unsteady flow0 前言即使是来流均匀稳定，叶轮自身也会产生周期性气流脉动。这些气流脉动来源于叶栅通道内各种涡系(如尾缘涡，二次流涡等)、端壁横向流动(由间隙引起的泄漏流、叶片刮削附面层形成的刮削涡1等。这些内部流动在小流量工况时湍流脉动增加，·中央高校基本科研业务费专项资金资助项gI(JUSRP1llA17)。20120802收到初稿，20121228收到修改稿使流动不稳定性进-步增强，同时也与声场有着密切关系，高湍流度暗示宽频噪声的增加，因此对轴流风扇/压气机的气动稳定性和声学性能有着重要的影响，是重要的旋转不稳定性和噪声来源 。↑年来，弯掠技术在叶轮机械领域的研究和应用，显示采用叶片弯掠技术可有效地实现减小流动损失、提高气动效率、降低气动噪声以及扩大稳定工作范围的目的。对于具有弯掠特征的叶轮，运行工况变化后，流道内流动变得十分复杂，其流动特性与失速、旋转不稳定性和气动噪声有着密切的联2013年 2月 金光远等：叶片弯掠轴流风扇内瞬态流动的试验研究 157以获得瞬态速度频谱分析的频率范围为 12 500 Hz。 。

片的进出V1瞬态流动随流量变化规律，故试验测量工况点选定为设计工况、压力峰值工况、近失速工况(即 O.235、 O.180和 0.168)，流量的调节通过阻力网筛来控制。 02 测量结果分析与讨论下面基于试验测量结果，分析平均速度和湍流脉动信息：湍流度、雷诺应力和速度频谱，分析非设计工况下周向弯曲叶轮进出口瞬态流场特性和不稳定流动发展，讨论弯掠叶片对流动不稳定性的控制作用，分析周向弯曲叶片扩稳降噪机理。各个速度分量用叶尖速度 U 归-化，测量点的径向位置用叶高进行归-化。

2.1 变工况下气动性能在三种工况下，三种叶轮出口区域轴向、周向和径向周向平均速度分量沿叶高分布，如图5所示。

对于轴向平均速度，在设计工况下，三种叶轮沿叶高逐步增大，至叶尖附近减小；随着流量减小，近轮毂区域其量值显著降低，特别是原型叶轮，周向弯曲叶轮的速度降低幅度较小，这表明虽然叶根区域流通能力降低，但周向弯曲叶轮要优于原型叶轮，近叶尖区域三种叶轮均略有增加。对于周向平均速度，在设计工况下，三种叶轮沿叶高降低；随着流量减小，叶根区域速度显著降低，原型叶轮最显著，而中部叶高区域 0.20～0.98)量值增大，前弯叶轮较为显著。对于径向平均速度，整体上量值较小在零值附近；在设计工况下其量值沿叶高增大，相比于原型叶轮，前弯叶轮降低，后弯叶轮增大；随着流量减小，原型叶轮在中部叶高显著增加，而前弯叶轮和后弯叶轮沿叶高变化较小，仅在近轮毂区域有所降低；周向弯曲叶片显著改变流道内径向速度分布，特别是在近轮毂区域。上述分析显示，周向弯曲叶片显著改变非设计工况下出口平均流动，抑制近轮毂区域的轴向速度降低，使中部叶高区域做功能力增大，改变径向速度分布。

2.2 下游湍流度随流量变化规律原型叶轮在三种工况下出口轴向的湍流度分布如图6a6c所示∩以看出，湍流度呈周期性分布，尾迹区内轴向流动的湍流强度明显高于周围的非尾迹区；沿叶高，较高湍流度主要发生在近轮毂和近叶尖区域，中部叶高的湍流度较小；随着流量l 00 8。-6魁是。-4O 2速比ca t 速比Ct t(a)原型叶轮O O 1 O 2 O 3速比 Ca/utl OO 8坦毒。-40 20 0 1 0 2 0 3速比 Ca/ut(b)前弯叶轮0 O5 0 10速比c t， -0 05 0 0 O5速比 c /utO O l O2 O O5 0 lO速比ct t 速比 c r I(c)后弯叶轮图 5 出口周向平均速度分布o 2350 I80ol68：O235：0 1 8O妒O 168o 235：0 l8O卸 l68减小，近叶根和叶尖区域的湍流度显著增大，周期性特征减弱，中部叶高湍流度随流量变化较校这表明叶片尾缘的分离流和上下端壁区的涡流脉动随流量降低而增强，不稳定性流动进-步发展。图6d、6e给出周向弯曲叶轮工况 O.18湍流度分布，三个叶轮的湍流度差异主要存在近上下端壁区域。与原型叶轮相比，周向弯曲叶轮显著控制近叶根和叶尖区域的湍流度增大。图7给出工况 0.18三个叶轮这两个区域的湍流度对比。与周向弯曲叶轮相比，原型叶轮近轮毂区域(R<0.25)的湍流度增大，湍流速度脉动显著；而在近叶尖区域有所弱化，湍流度增加幅度较校随流量降低，叶片周向弯曲抑制近轮毂区域的湍流脉动，强化叶尖区域的湍流脉动。

158 机 械 工 程 学 报 第 49卷第 4期相位 0/(。)(a)原型叶轮 妒：0 235O 40 8O 120 160 200 240 280 320 360相位 0/(。)(b)原型叶轮 妒01 8O 70.6O 50.4瘿 O 30.20 10 40 80 120 160 200 240 280 320 360相位 0/(。)(c)原型叶轮 0 168O 40 3蓑o-z瘿O 1相位 0/(。)(d)前弯叶轮 妒O18O 40 80 12O 160 200 240 280 320 360相位 0/(。)(e)后弯叶轮 01 8图6 出口轴向速度湍流度对比k 魁髌k q娓褒- - 原型叶轮 - 周向前弯叶轮相位 o/(。)(a)近轮毂O 40 80 120 160 200 240 280 320 360相位 o/(。)(b)近叶尖图 7 轴向速度湍流度分布( O.18)2.3 下游雷诺应力和湍动能雷诺应力是湍流中流体微团的脉动造成的，是湍流场中某点脉动速度分量间在同-时刻的相关表现，是湍流粘性力表征。根据本次 x热丝测量，可以获得轴向和径向、轴向和周向脉动速度间的雷诺应力 fl2和 13。三个叶轮的 r12和 l3随流量变化趋势-致，图 8给出了周向后弯叶轮不同工况下 2和 3的分布。-g 在中部展高随流量减小而增大，表明在轴向和径向方向间存在较高的动量传递。 l3在近轮毂区域和叶尖区域随流量减小显著增大，表明这两个区域在轴向和和周向方向间存在较显著的动量传递。三个叶轮在工况 0.18下雷诺应力如图9所示。相比于原型叶片，周向弯曲叶片强化了主要流通区域内轴向和径向方向间的动量传递，对于轴向和周向方向间的动量传递，近轮毂区域弱化而在叶尖区域有所加强。湍动能是湍流场中某点脉动速度能量的-种表现。图10给出了三种叶轮湍动能在不同工况下沿叶高的分布规律，可以看出湍动能的主要差异在上下端壁区域。在设计工况下，后弯叶轮叶根区域和叶尖区域的湍动能较高；随着流量减小，周向弯曲叶轮抑制了这两个区域湍动能增幅，前弯叶轮增幅最校这表明周向弯曲叶轮在小流量工况下控制了叶根和叶尖区域的速度脉动，从而控制了这两个区域的湍流声源。

4 3 2 O 4 3 2 O 0 O 0 O O 0 O O ～ 斌薅 越 瘿7 6 5 4 3 2 0 O 0 O 0 O 0 .， 嚣O O O O 0 Jr 辨162 机 械 工 程 学 报 第 49卷第 4期第 2届上银优秀机械博士论文奖--优秀奖激光冲击强化铝合金力学性能及微观塑性变形机理研究作者：鲁金忠毕业学校：江苏大学指导教师：张永康激光冲击强化具有高压(GPaTPa)、超快(几十纳秒)、超高应变率(1O ～100 s-，比爆炸成形高出100倍1的显著特点，广泛应用在金属构件的表面改性上，然而目前对于金属材料表层激光冲击细化晶粒的微观结构演变、性能结构关系尚缺乏系统的研究，尤其是对超高应变率下严重塑性变形导致的晶粒细化机制和微观强化机理，现在仍然缺乏统-的认识和深入的理解。本文针对激光冲击铝合金的宏观性能、微观结构演变以及塑性变形进行了若干基础研究，为激光冲击波技术的工业应用提供依据。本文主要开展以下四个方面内容的研究：不同工艺参数下铝合金试样的表面完整性和疲劳寿命研究、不同应变速率下的拉伸性能，在铝合金微观结构演变的基础上研究多次激光冲击铝合金晶粒细化机制和微观强化机理、激光冲击铝合金表面凹坑深度推导和理论计算，获得了以下主要结论和创新性成果。

系统研究了激光单次和多次冲击诱导铝合金塑性变形层不同区域的微观组织结构，建立了深度方向残余应力和微观结构的对应关系，首次深入系统地揭示了激光冲击铝合金晶粒细化机制和微观强化机理；在激光冲击塑性变形区域发现了激光冲击铝合金的空位簇缺陷并对形成机制进行初步的研究。研究了材料特性参数和激光工艺参数对铝合金表面微凹坑深度的影响，建立了激光冲击超高应变率下以材料粘性系数、应变率、冲击波压力为特征参数的铝合金表面微凹坑深度的解析表达式，为激光冲击表面完整性的理论分析奠定了基础：试验研究了激光冲击对铝合金表层纳米硬度、弹性模量、残余应力以及表面形貌的影响，开展了不同搭接率下椭圆型光斑的冲击效果和效率等工艺研究，获得了不同条件下合适的激光冲击参数和工艺准则-展了应变速率对激光冲击铝合金试样拉伸性能的影响关系研究，提出了基于弥散的溶质原子和激光冲击区域表层产生的大量位错相互作用产生的影响机制，研究了不同工艺参数下的铝合金的疲劳性能。