离心风机作为重要的输送流体设备被广泛应用于生产生活中。动静干涉引起的复杂流动结构不仅直接影响其整体性能，还会在蜗壳壁面上产生压力脉动，引起气动噪声。对风机内部流动特性进行研究，有助于改善风机流动性能以及揭示气动噪声的来源。张玮等[1]通过二维粒子图像测速（PIV）对离心叶轮出口至无叶扩压器区域内部流动状态进行整场测量，观测到射流-尾迹结构在无叶扩压器内的掺混耗散过程，这一结构的发展输运主导了蜗壳内的流动形态。Najjari等[2]通过立体粒子图像测速（SPIV）对射流-尾迹形态进行了精细测量，揭示了不同周向位置处射流和尾迹间的能量输运。Lun等[3]对离心风机内部流动进行了三维非定常计算，发现蜗舌处存在的大尺度旋涡结构极大地影响了整机效率。这些研究丰富了人们对离心风机蜗壳内流动的认知。近年来，研究人员发现鸟类羽翼结构尾缘处的波浪结构有助于降低气动噪声的产生，将其施加到离心风机叶片尾缘后取得了一定的降噪效果[4-8]。刘小民等[9]对带苍鹰羽翼尾缘结构的单仿生叶片进行了噪声仿真，结果显示叶片的A计权声压级降低9dB左右。邬长乐等[10]对带仿生羽翼结构的离心风机进行全三维仿真，取得了3~5dB的降噪量，流场仿真结果显示仿真波浪结构抑制了叶轮内部宏观大尺度旋涡的产生，从而降低了压力脉动。但此前的研究多为数值仿真，试验方面的工作较少，也未充分展示仿生结构的存在对蜗壳内复杂流动形态的影响。本文采用粒子图像测速系统对带有仿生羽翼叶轮的离心风机内流场进行观测，分析不同截面上的流动统计特性，结合本征正交模态分解观察流动结构的差异性。最后，通过锁相PIV对仿生羽翼叶轮的射流尾迹形态进行深入分析。1　实验装置及分析方法1.1　仿生羽翼离心风机本文以带有仿生羽翼前向叶轮的离心风机作为研究对象。通过PIV实验研究叶轮不同截面处射流尾迹与蜗舌干涉的非定常流动特性。图1为实验搭建示意图以及仿生叶片的示意图。叶轮直径254mm，安装60个前向圆弧叶片，叶片通道宽度为10mm。叶片尾缘切割为仿生波浪结构，波浪正弦高4mm，波长为8mm，叶轮轴向高度80mm，共布置有10个波浪凸起，叶轮实物如图2（b）所示。为了便于PIV实验观测，在蜗壳上端盖和侧壁上切割出观测窗口并固定有机玻璃板，如图2（a）中风机的透明部分。考虑到PIV测量的质量受观测窗折射的影响，采用平板有机玻璃作为观测窗材料。同时，选取观测窗位置时，在满足目标区域的前提下，选取了蜗壳外形最接近平板的区域，以最大程度减小用平板替换蜗壳这一行为对原始流场的影响。此外，实际拍摄的平面区域与两观测窗间均有一定距离。综上，可以忽略观测窗处壁面形状略微改变对实际测量区内流场带来的影响。风机交流电机采用变频仪控制转速，实验时转速固定在300r/min和600r/min。10.12050/are20220401.F001图1仿生羽翼离心风机实验及叶片示意图Fig.1Schematic of PIV system on centrifugal fan with bionic fan10.12050/are20220401.F002图2仿生羽翼离心风机实验及叶轮实物图Fig.2PIV system on centrifugal fan with bionic fan1.2　PIV设置PIV系统采用IMPERX-29M 高分辨率CCD相机（4400px×6600px）和Beamtech-130mJ双脉冲激光器，拍摄区域尺寸约为125mm×190mm，如图3所示，空间分辨率为34px/mm。为了便于粒子布撒，搭建了1.5m×1.5m×2m的缓冲室，通过烟雾发生器将液滴粒子投放入缓冲室内，粒子直径为1μm，密度为0.0014g/cm3。风机进出口分别通过PVC直管和软管连接到缓冲室，保证PIV试验进行中风机内部粒子浓度均匀。通过调整激光片光和相机位置，对叶片尾缘波浪结构的波谷和波峰两个截面上的流场进行拍摄，截面的展向位置如图1中叶片上的红蓝虚线所示。为了分析蜗壳内流动统计时均特性，首先采用非锁相低频PIV进行拍摄，拍摄频率为1Hz。由于风机内部存在明显的周期性流动，单次PIV采样和流场相位之间可能存在相关性，从而导致测得的流场不能达到统计收敛，PIV结果无法遍历流场内的真实结构。为解决上述问题，采用多次拍摄的结果进行对比验证，确保统计特性和模态分解结果的采样无关性。具体实施时，单组采样100s，拍摄100对图像，每个工况分别拍摄10组。10.12050/are20220401.F003图3实际测量区域及叶轮相对位置示意图Fig.3Area of PIV and schematic of the rotor之后，采用锁相PIV研究不同截面上射流尾迹的特性。将小块磁条固定在叶轮上，在蜗壳壁面上固定霍尔传感器。在叶轮旋转过程中，每当小磁条接近霍尔传感器，传感器会产生脉冲信号，脉冲信号输入到同步器，在同步器中进行分频，最终触发激光器和相机拍摄，获得叶片固定在同一相位时的瞬态流场。对这些流场进行平均即可得到相位平均流场，便于分析叶轮射流尾迹结构的特性。所用的霍尔传感器在1000Hz的触发频率下，响应的重复精度为±3%，检测距离为10mm。连接示波器对其进行测试，在不安装小磁条的情况下运行风机，霍尔传感器没有响应，排除了电机磁场误触发的可能；在安装小磁条后，霍尔传感器能够随电机运行输出稳定的脉冲信号。正式试验前连接PIV系统进行调试，确认拍摄的锁相效果良好。采用Pan等[11]发展的多重迭代Lucas-Kanade 光流算法进行PIV速度场的计算。本文中，查询窗口采用 64px×64px，步长8px×8px，在多翼叶轮的每个叶片间隙通道上，周向可以保证约有43个速度矢量。1.3　本征正交模态分解本征正交模态分解（POD）是适用于处理大量数据的分解方法，通过求解原始速度数据的互相关矩阵的特征值和特征向量来寻找一组最能代表原始数据信息的正交基，这些基函数称为“模态”。Lumley[12]最早将其应用到流体实验中，以提取湮没在时均流场中的相干结构。Sirovich[13]提出了快照本征正交分解（SnapshotPOD），用时间互相关矩阵替代空间互相关矩阵，减小了需要求解的矩阵维数，极大地简化了求解POD所需的计算量。Hall等[14]给出了用POD方法构造降阶模型（ROM）在二维跨声速流动翼型上的应用实例。近年来，POD方法成功应用于钝体绕流、边界层流动、旋转机械流场中[15-18]。POD 的基本思想可以概括为：对任意一个空间域 Ω上的标量场 {uk(x)}（此处为速度分量场），将其投影到一系列正交基函数φ上，表示为ukx=∑i=1naikφix                                                 （1）式中，φ通过求解速度分量场互相关阵的特征向量来表示∫Ωux'uxφxdΩ=λφx （2）式中，λ为模态对应的特征值，表征了各个模态相对能量，依据λ的大小对φ进行排序，使得模态能量逐渐递减，即可找到流场脉动中能量占比最高的湍流模态。模态系数ai满足如下关系aiaj≥λi   i=j0    i≠j （3）利用基函数的正交性可以求出这些对应的系数ai=∫ΩuxφixdΩ （4）Berkooz等[19]对POD做了非常详尽的综述，本文不再赘述。2　非锁相PIV流场分析2.1　统计特性分析转速为300r/min和600r/min的工况下，不同截面时均速度云图及流线图如图4所示。本文中均采用叶尖旋转速度Vtip对流场速度进行无量纲化，用叶轮直径D对空间坐标进行无量纲化。在低频瞬态流场的时均分析中，云图无法展示射流尾迹的结构形态，但可以了解蜗壳内流动的宏观统计特性。位于叶轮出口的高速区域呈现明显的周向不均匀特性：靠近蜗舌时叶轮高速区域显著降低，在此处主流一分为二，叶轮高速射流被明显抑制；在右侧间隙处则由于射流叠加回流到蜗壳内的流动，导致局部速度增高。波峰（peak）和波谷（valley）截面在低转速时差异不明显，高转速下，波谷截面射流出现明显亏损。10.12050/are20220401.F004图4蜗壳时均速度云图Fig.4Contour plot of time-averaged speed in volute蜗壳时均切应力云图如图5所示。除图5(c)展示的工况外，在其余工况中切应力主要集中于叶轮出口处附近的很小一部分区域，由叶轮旋转带动周围流体引起。在蜗舌上方局部内存在高剪切区域表明在当地存在流动分离。而在图5(c)中截面上叶轮出口则存在大范围的强剪切区域，表明存在其他流动结构加剧了当地流动间的掺混，这也致使叶轮出口射流减弱，使得在此转速下，两截面上的时均和脉动特性存在显著差异。10.12050/are20220401.F005图5蜗壳时均切应力云图Fig.5Contour plot of time-averaged shear stress in volute蜗舌附近存在强烈的流动干涉现象，是影响风机性能和气动噪声的主要因素之一。因此，我们重点关注此区域的流动结构。图6展示了蜗舌附近无量纲化湍动能云图。除600r/min工况下波谷截面外，其余三个工况下，高脉动区域主要集中于叶轮出口和蜗舌上方局部区域内，分别表征了叶轮出口射流尾迹和蜗舌上方流动分离存在的强烈脉动。而在600r/min波谷截面，叶轮附近存在强烈脉动，与图5高剪切应力区域对应并向蜗舌间隙内扩张。10.12050/are20220401.F006图6蜗舌区域时均湍动能云图Fig.6Contour plot of time-averaged turbulence kinetic energynear volute tongue2.2　POD模态分解为了揭示蜗舌附近不同截面上流动结构的差异，采用本征正交模态分解对此区域流场进行分解。图7展示了不同截面上前十阶模态相对能量占比分布。在600r/min工况下，波谷截面上一阶模态能量占比高达62%，二阶模态能量占比迅速降低到5%以下。而在其余工况下，一阶模态含能最高只有13%，高阶模态含能逐渐降低。对应的各阶模态云图及速度矢量图分别呈现在图8~图11中。10.12050/are20220401.F007图7前十阶POD模态能量分布图Fig.7Eigenvalues of the first 10 POD modes10.12050/are20220401.F008图8300r/min工况下波谷截面前六阶POD模态云图Fig.8Vector pattern and contour plot of velocity of first six POD modes in valley plane at 300r/min case10.12050/are20220401.F009图9300r/min工况下波峰截面前六阶POD模态云图Fig.9Vector pattern and contour plot of velocity of first six POD modes in peak plane at 300r/min case10.12050/are20220401.F010图10600r/min工况下波谷截面前六阶POD模态云图Fig.10Vector pattern and contour plot of velocity of first six POD modes in valley plane at 600r/min case10.12050/are20220401.F011图11600r/min工况下波峰截面前六阶POD模态云图Fig.11Vector pattern and contour plot of velocity of first six POD modes in peak plane at 600r/min case由于蜗舌的存在，叶轮出口的高速流体与主流混合撞击蜗舌，会产生大量非定常流动结构。在300r/min工况下的波谷截面（见图8），一、二阶模态分别表现为流体绕过蜗舌从上方流出和大部分的间隙回流；三、四阶模态为沿叶轮周向周期出现的旋转结构，其速度方向沿叶轮周向交替变换，表征叶轮出口射流尾迹形态。且两个模态上在周向上存在一定的相位偏差。五阶模态以后存在一定的流动结构掺混叠加现象，无实际表征意义。在300r/min工况下的波峰截面上（见图9），一阶模态表征主流区域内的大尺度脉动结构，方向与主流出口相反，说明该区域沿流向速度整体存在很大脉动；二、三阶为射流尾迹；之后的高阶模态中呈现了更为复杂和混乱的主流与蜗舌相互作用。在600r/min工况下，波谷截面（见图10）一阶模态含能62%，为通过蜗舌叶轮间隙回流到蜗壳内的流动，其占据了该区域主要脉动能量。这一流动形态也是导致其与其他工况流动统计特性存在巨大差异的原因。二、五阶表征为高速流体与蜗舌在不同位置处发生干涉引起的脉动。射流尾迹结构出现在6阶模态中。波峰截面（见图11）一阶模态转变为主流绕过蜗舌引起的脉动；二、三阶为射流尾迹形态；四~六阶则包含了蜗舌上方分离涡和蜗舌附近大尺度漩涡。综上可知，通过本征正交模态分解可以将蜗舌附近存在的各种湍流结构（如射流尾迹、蜗舌叶轮间隙回流以及高速流体与蜗舌干涉撞击产生的复杂结构等）进行分离提取。在蜗舌附近高速流体与蜗舌的干涉形成的流动结构含能较高。且同一转速工况下，不同截面低阶模态的形态存在一定差异，流动存在不同步性。总体来说，波谷所在截面上，主流脉动模态、回流到蜗壳内的流动模态含能占比高，尤其是600r/min的情况下，回流到蜗壳内的流动模态成为能量占比最高的一阶模态；波峰所在截面上，主流脉动模态仍为主导模态，但射流模态含能占比相对提高，回流到蜗壳内的流动模态不明显。由此可以推断，2.1节中提到的600r/min工况下波谷截面上的高脉动区域是由叶轮旋转带动向蜗舌间隙内的强烈回流引起的。2.3　锁相PIV流场分析通过非锁相PIV研究了不同截面上蜗舌附近主要流动结构的差异后，为了更进一步深入分析不同截面上叶轮出口射流尾迹的特性，采用锁相PIV获取叶轮同一旋转角度下的瞬态流场并进行相位平均，以观测射流形态。图12展示的是相位平均得到的速度云图，叶轮出口呈现明显的射流。远离蜗舌的左下侧叶轮通道出口射流较高，靠近蜗舌时射流被抑制，在间隙内则有一定的恢复。这一结果与非锁相PIV时均速度云图一致。对比同一转速下不同截面射流形态发现，波谷和波峰射流最高速度差异较小，但波峰截面上射流核心区域在周向上尺度更大，其在与蜗壳主流掺混过程中径向方向延伸更长。这一差异在600r/min工况下更为明显。600r/min工况下，波谷截面上有效射流区域明显被削弱。10.12050/are20220401.F012图12相位平均速度云图Fig.12Contour plot of phase-averaged velocity图13展示了锁相PIV的相位平均涡量图，可以看出在每个叶轮通道的射流左右两侧分别存在逆时针（红色）和顺时针（蓝色）涡量。叶轮顺时针旋转作用使得高涡量区域整体向右倾斜。在低转速工况下，两截面尾迹涡量分布差异并不显著，而转速提高后，波谷截面尾迹涡量强于波峰截面。10.12050/are20220401.F013图13相位平均涡量云图Fig.13Contour plot of phase-averaged vorticity为了进一步了解射流尾迹从叶轮出口高速射出后的特性，选取了从叶轮出口向外扩展不同半径圆（r1~r4）上涡量及湍动能周向分布展示于图14和图15，不同圆周半径间隔2mm。在300r/min工况下近叶轮出口处（见图14(a）~图14(d)），高湍动能基本对应于正负涡量中心区域，且在相邻的顺时针涡量（负值）和逆时针涡量（正值）中，顺时针涡量含能更强。波谷截面内射流尾迹湍动能要比波峰截面更强。这一趋势持续到了蜗舌附近。在600r/min高转速工况下，近叶轮出口处（见图15（a）和图15（b））高湍动能区域则出现在靠近射流中心区域。在向下游发展的过程中，波谷截面射流尾迹湍动能始终高于波峰截面。10.12050/are20220401.F014图14300r/min工况下射流尾迹涡量及湍动能周向分布Fig.14Distribution of vorticity and TKE in jet-wake along circumference direction at 300r/min case10.12050/are20220401.F015图15600r/min工况下射流尾迹涡量及湍动能周向分布Fig.15Distribution of vorticity and TKE in jet-wake along circumference direction at 600r/min case3　结论本文通过锁相和非锁相PIV研究了不同转速工况下仿生羽翼离心风机蜗壳内不同截面的内流特性，主要结论如下：（1）通过非锁相PIV结合本征正交模态分解，对蜗舌附近不同流动形态进行了分析，成功提取到了射流尾迹、蜗舌间隙回流、高速流体与蜗舌干涉等多种流动结构。大部分工况下，主流与蜗舌的干涉占据当地脉动能量的主导地位。波谷和波峰截面上含能较高的主要结构均存在明显差异，两个截面上不存在一致性，尤其是在高转速工况下。（2）通过锁相PIV对射流尾迹形态进行对比分析发现，射流两侧漩涡存在不对称性，顺时针漩涡被压缩在叶轮附近区域，逆时针漩涡向外扩张。在低转速工况下，射流尾迹中漩涡结构含能较高，而高转速工况下，射流中心区域含能更高。（3）在高转速工况下，在波谷截面上，叶轮出口周向间隙回流存在大量脉动，叶轮出口射流被明显抑制，尾迹涡量增强。后续将进一步采用PIV和壁面压力脉动测量装置测量分析流动结构对蜗舌壁面压力脉动的影响，从而揭示其对噪声抑制的原理。