五类叶轮机随机噪声的特点及其相互的比较

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　　吸入湍流噪声

　　由于来流速度场随机脉动会在叶片表面产生随机的压力脉动，因而也产生辐射的随机噪声场。Sharland最先注意到了这种由于叶轮机吸入湍流产生的宽频随机噪声，他用实验方法系统地研究了宽带噪声的机理，通过测量处于平稳气流和湍流中的平板噪声，得到了有关叶轮机宽频噪声的基础知识。Sharland的主要结论包括3点：

　　· 当平板处于尺度与平板弦长可比的湍流中时，垂直于平板的湍流速度脉动引起的噪声占优势;
　　· 当平板大部分面积处于稳态流中时，主要噪声级是由尾缘涡脱落引起的升力脉动;
　　· 边界层压力脉动产生的噪声与其他两种声源强度相比可以忽略。

　　之后，Sharland进一步探讨了风扇中进气湍流噪声与尾迹涡脱落噪声的关系，指出宽带噪声是由尾缘处脱落涡产生的叶片升力脉动所引起的，但叶片前任何大尺度湍流产生附加升力脉动，从而使宽带噪声明显增加。

　　图1 Sharland 宽带噪声的实验结果

　　图1是Sharland和Morfey进一步观察了风扇内叶尖二次流动对宽带噪声的影响，指出与叶尖间隙和管道壁面边界层有关的二次流是一种湍流源，因而也是一种宽带噪声源，因为叶尖间隙和端壁边界层厚度对二次流具有相反的作用，因此可以最佳化处理，以减小附加的噪声辐射。

　　湍流边界层噪声

　　即使是在完全稳态的流场状态下，由于在湍流边界层内的气流压力脉动，叶轮机叶片表面也会承受气流的随机压力脉动作用。但是离开叶片前后缘的湍流边界层内的四极子声源并不直接辐射噪声(或者说它不能有效辐射噪声)，而湍流边界层与叶片尾缘的相互干涉产生的偶极子声源才是湍流边界层辆射噪声的主要根源，叶片的边缘将不能有效辐射的湍流脉动压力近场扩散成传播的声场。

　　早期Powell和Flowes Williams等人研究了湍流边界层噪声辐射的问题，后来Mugridge(1971)给出了根据压力测量估计的叶片表面非定常力，计算湍流边界层与叶片尾缘干涉辐射的噪声计算模型。Mugridge的计算分析表明，叶片表面湍流边界层噪声远小于叶片的脱落涡噪声和来流湍流与叶片相互干涉噪声图1，Schlinker和Brooks(1982)以及Chou(1990)等人以后又对叶轮机转子叶片湍流边界层与尾缘的干涉噪声进行了详细的分析。

　　脱落涡噪声

　　当旋涡离开叶片表面时，围绕叶片的流动环量发生变化，在叶片表面诱导出压力脉动。脱落涡噪声的典型例子就是风吹圆住体时在圆柱表面形成的Karman涡街以及辐射的单音噪声。

　　在叶轮机叶片中，存在两种形式的涡脱落现象，即从叶片钝尾缘产生的层流边界层脱落涡和湍流边界层脱落涡。基于Sharland理沦分析模型，Fukano、Kodama和Senoo等人对叶轮机宽频噪声的研究表明，在没有湍流吸人的情况下，轴流风扇宽频噪声主要来自于脱落涡噪声。

　　层流边界层脱落涡噪声主要是由于叶片吸力面的层流边界层内的不稳定波以及层流边界层通过叶片尾缘时产生的压力脉动。边界层与叶片尾缘干涉产生的压力脉动一方面产生了声辐射，另一方面向上游传播加强了边界层内部的不稳定波，从而在叶轮机内部产生了气动力学-声学反馈循环。图2给出了这种复杂流场-声场物理机制的图形。

　　图2 层流边界层中声场-流场耦合反馈过程

　　研究表明，脱落涡噪声的频谱是典型的窄带频谱，并分布在很宽的频率范围内。Schlinker和Brooks(1982)指出，由于脱落涡产生的近乎周期性的叶片表面压力脉动，因此噪声呈现出相当尖但仍然是连续的频谱形状。

　　对于转子叶片，由于叶片当地速度的改变导致一定范围的窄带频率谱的产生，因此，远场接收到时就具有了宽频噪声谱的特征。层流边界层噪声可以通过将层流边界层提早转捩成湍流边界层而降低。

　　湍流脱落噪声产生的机理与层流脱落涡噪声不同，从钝的叶片尾缘脱落的湍流涡噪声是叶轮机转子高频随机噪声的主要声源。图3的实验结果显示了叶片尾缘厚度对湍流脱落噪声的影响。图3表明，尽管叶片尾缘厚度仅仅是湍流边界层位移厚度的几分之一，但其对噪声谱的影响依然是很显著的。

　　图3 尾缘厚度对转子噪声谱的影响

　　流动分离噪声

　　图4说明在高攻角情况下叶型表面流动分离状态，在轻度失速状态(图4a)，失速区发生在近叶片尾缘局部区域，同时注意在叶片前缘区还存在一个小的分离泡。如果来流攻角进一步增大，则流动分离点向叶片前缘方向移动并形成一个很大的前缘涡(图4b)，分离流在叶片表面产生大的脉动压力，从而产生随机噪声。

　　a. 轻失速(尾缘分离)

　　b. 深失速

　　图4 大攻角下的叶片流动分离

　　图5给出了叶轮机转子失速状态和非失速状态下的噪声谱的对比。可以看出，转子非失速状态下的噪声主要由叶片通过频率及其谐波作支配，而失速状态的转子噪声谱几乎完全是宽频噪声谱。

　　图5 非失速和失速状态转子噪声谱比较

　　叶尖涡噪声

　　在轴流叶轮机械中，复杂的二次流动同样在叶片表面产生了压力脉动，从而辐射随机噪声。如图6所示，由于转自叶片叶尖间隙的存在，在叶片压力面与吸力面之间压力差的作用下，在叶片叶尖区域形成了附着在叶片吸力面的间隙涡。此外，由于叶片进出口之间压力差的存在，在整个转子周向叶尖间隙区域还会形成复杂的二次流，如图7所示。

　　图6 轴流风扇转子间隙涡

　　图7 叶尖区域的二次流

　　研究表明，当叶片叶尖间隙超过一定值后，叶尖间隙噪声会成为叶轮机重要的宽频噪声源。图8给出了叶尖间隙大小变化对轴流风扇噪声谱的影响实验测量结果(间隙用绝对间隙与叶片直径比值表示)。

　　可以看出，在高频范围内，随机噪声声压级随叶尖间隙增加均匀地增大，但对于低频区的声压谱，间隙增大可能造成某种频率噪声级急剧增加，如图8所示，当间隙从0.0013增大到0.0053时，在比叶片通过频率低的频率370Hz处声压级增大了近20dB。

　　图8 间隙变化对转子噪声的影响

　　本文摘录自乔渭阳编著的《航空发动机气动声学》一书，P142-146