通过理论源模型支持的风扇噪声测量的高级分析
前言：为了提高对主要风扇噪声源机制的理解，进行了一项全面的实验研究，研究在低速风扇测试台上进行。测量叶片集成式转子的空气动力风扇图以及风扇的声学特性，并系统地变化了轴速度和节流。
在一个小型低速空气声学风扇测试装置中进行了全面的实验研究。通过在几个工作点对风扇进行测量，评估了风扇的空气动力性能图以及其声学特性。测试装置配备了一种新型的叶片集成盘转子。
这种类型的转子是从一个块材中铣削而成的，可以实现叶片数量的几乎无限变化，并减少了组装部件的数量，也可以显著减轻重量。从空气动力学和空气声学的角度来看，这种任意形状打开了新的优化空间，但最明显的是在轮毂处的流动性能得到了改善，因为那里没有可能影响流动的间隙。
理论源模型的一般过程基于平均线方法：在一个径向位置计算稳态和非稳态的空气动力参数，然后进行径向外推。在第一步中，对风扇的模型进行了调整。在此步骤中，迭代地更改了转子和定子前缘和后缘的叶片角度，并趋于代表性的角度。
使用这些角度，模型在设计点处计算了与数值雷诺平均纳维-斯托克斯模拟获得的相同的修正质量流量和压力比。重点是测量和模拟之间的空气动力学相似性，而不是几何相似性。
这种方法的权衡是代表性角度与实际叶片角度不同，转子叶片和定子叶片的几何形状对音调噪声的激发有着关键的影响。
预计模拟和测量的音调噪声特性会存在较大差异。宽带噪声源被认为更能复制测量趋势，因为它们主要依赖于从测量中提取的空气动力参数，如马赫数、湍流强度和ILS，这些参数随操作点的变化而变化。相关的几何特性包括叶片厚度、角度和弦长。
理论模型预测了不同声源，如转子-定子相互作用噪声、入流-转子相互作用噪声、入流-定子相互作用噪声以及转子和定子后缘噪声。模拟基于Goldstein的具有运动实体边界的声学类比解决方案。空气动力特性，如平均流速、尾流特性和湍流，是基于半经验的平均线方法估计的。
显示了3200 r/min下六个操作条件的压力比和质量流量。RANS计算在设计点的操作条件预测比测量显示的压力比更高。
在低质量流量时，预测的压力比低于测量的压力比。这个操作条件接近潮汐线，并且难以用平均线方法建模。值得注意的是，理论源模型最初是为高压比的全尺寸风扇开发和测试的。考虑到这一点，预测和测量的操作条件相当匹配。
源模型的基本输入参数包括平均流速、湍流动能和积分长度尺度。前者是通过入口处的动压管测量的。
湍流参数TKE和ILS是通过热线流速计的非稳态空气动力学测量来提取的。测量是在同一测试装置中进行的，但使用了不同的风扇。
由于在该工作中测量的入口马赫数与当前工作中的马赫数大致相同，因此将使用来自该测量活动的湍流量平均数。
四个热线探针安装在风扇测试装置的管道壁上，相距90°，距离风扇前约440毫米。每个探针包括两个热线元件。在这项工作中，仅分析了轴向分量。
三个测量的径向位置分别距离管道外壳壁45毫米、112毫米和192毫米，管道直径为453毫米。采集时间设置为10秒，采样频率为80 kHz。不幸的是，在边界层内没有进行热线测量。在边界层的径向方向进行了精细测量，其中边界层厚度估计约为20毫米，平均流速为16.4 m/s。已知边界层内的湍流达到5-6%的强度，但在边界层的外部区域迅速衰减。
为了更好地估计总体平均湍流水平以及用于模拟的平均TKE，使用了在其他测试装置中测量到的典型边界层湍流剖面，并按照当前马赫数进行了缩放。速度剖面和湍流水平的结果。
波动速度分量u˜的均方根是通过积分轴向速度分量的功率谱密度来获得的。湍流强度定义为波动速度和平均速度之比：Tu=u˜Ux。在相同平面和四个角度位置上测量的数据的PSD，这些位置相距90°，距离壁面112毫米。
可以根据以下定义估算TKE：TKE=32u˜2。但是，对于ILS，而不是使用依赖于速度分量的自相关函数积分的定义，从测量的热线数据估算的PSD上拟合了von-Kármán谱。
将该拟合的对应ILS用作相应测得记录的估计ILS值。这种方法用于代替经典的自相关函数积分，因为后者对低频扰动以及频谱中可能出现的音调非常敏感，而这些音调并不是与湍流相关的。
用测量获得的值以及从其他类似测试装置中提取并缩放的边界层剖面的近似值代替，获得以下数值：TKE = 0.1 m2/s2，Tu = 1.2%，ILS = 13 mm。
结论：在两个BPF周围的音调的模态分析中发现了阶梯状的模式，这是由于各个转子叶片尾流之间的偏差引起的。
在偏离设计条件的情况下，两倍BPF的音调噪声振幅最低，即非常高或非常低的加载。这意味着风扇性能与声学优化之间存在潜在的设计冲突。
