離心泵內(nèi)部流動誘導(dǎo)噪聲的數(shù)值模擬與試驗研究.pdf

1、噪聲污染與大氣污染、水污染、固體廢棄物污染并列為當(dāng)今世界四大污染，隨著人們對生活質(zhì)量要求的不斷提高，對噪聲污染的限制也越來越嚴(yán)格。離心泵作為與人們生活息息相關(guān)的通用機械，對其產(chǎn)生噪聲問題的研究是本學(xué)科國際研究前沿。本文采用大渦模擬結(jié)合有限元聲學(xué)的方法對離心泵蝸殼內(nèi)部流動誘導(dǎo)噪聲現(xiàn)象進行研究與分析，通過設(shè)計不同形狀的隔舌和蝸殼結(jié)構(gòu)來研究改變蝸殼參數(shù)對離心泵流動誘導(dǎo)噪聲的影響，發(fā)現(xiàn)蝸殼結(jié)構(gòu)對離心泵噪聲性能有著重要影響。主要的研究工作和創(chuàng)新點

2、如下:
　　1.較系統(tǒng)地總結(jié)了國內(nèi)外離心泵流動誘導(dǎo)噪聲研究現(xiàn)狀，分析了已有的研究方法及結(jié)論。本文采用數(shù)值模擬結(jié)合試驗驗證的研究方法，既擁有數(shù)值模擬的快速性能預(yù)測特性，又有試驗測試的直接研究特性。
　　2.介紹了流動誘導(dǎo)噪聲研究的基礎(chǔ)方程(Lighthill方程)及其聲類比理論，為后續(xù)的研究方法闡明理論基礎(chǔ)。討論了離心泵內(nèi)各種引起流動誘導(dǎo)噪聲的物理現(xiàn)象，如湍流噪聲、空化噪聲和動靜干涉噪聲等。對各類聲源進行分類描述，包括單極子聲

3、源、偶極子聲源和四極子聲源三類。通過聲輻射功率方程計算可知，離心泵模型中的四極子聲源與偶極子聲源相比可以忽略不計，并且當(dāng)離心泵在未空化狀態(tài)下運行時，偶極子聲源是主要聲源項;當(dāng)離心泵在空化狀態(tài)下運行時，空泡發(fā)生和潰滅產(chǎn)生的單極子源也會成為離心泵流動誘導(dǎo)噪聲的主要聲源項。
　　3.本文提出了一種基于大渦模擬和有限元聲學(xué)的混合算法對離心泵流動誘導(dǎo)噪聲進行研究，即將流動誘導(dǎo)噪聲的求解步驟分為兩部分:流場計算和聲場計算，之間的信息轉(zhuǎn)換通過快

4、速傅里葉變換完成。流場計算中，雷諾時均法由于對時間項進行了平均，并不提供所有聲學(xué)計算所需的頻譜信息，因此選擇了大渦模擬法計算流場。聲場計算中，統(tǒng)計能量法更適用于中高頻噪聲計算，而本文研究的噪聲集中在中低頻范圍內(nèi)，研究的蝸殼屬于狹長結(jié)構(gòu)模型，故選擇有限元方法計算聲場。
　　4.以往對離心泵流動誘導(dǎo)噪聲的研究焦點往往集中在葉輪或者隔舌區(qū)域，本文首次對不同截面形狀的蝸殼進行研究。在選擇的模型泵基礎(chǔ)上，以保證基圓直徑、隔舌位置和圓角、葉輪

5、、蝸殼進口寬度及各個截面過流面積保持一致的條件，設(shè)計了另一種不同截面的蝸殼模型，采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分計算域，通過計算給定適合的邊界條件，在定常模擬結(jié)果的基礎(chǔ)上對流場進行大渦模擬計算，流場計算得到的時域信號通過快速傅里葉變換轉(zhuǎn)化為聲場頻域信號，并加載到符合聲學(xué)要求的離心泵聲學(xué)模型網(wǎng)格中進行聲場計算。計算結(jié)果表明矩形蝸殼模型和圓形蝸殼模型的水力性能近似，但是噪聲性能方面矩形蝸殼更優(yōu)，平均約低5dB，并且噪聲主頻為葉頻290Hz。對離心泵內(nèi)部流場

6、的壓力云圖、速度矢量分布及方向分析也發(fā)現(xiàn)矩形蝸殼內(nèi)的流動狀態(tài)更優(yōu)，更符合低噪聲的特點。
　　5.首次設(shè)計了一種可調(diào)波長式離心泵降噪管，將其安裝于蝸殼隔舌上方，以減小離心泵內(nèi)隔舌處動靜干涉產(chǎn)生的以葉頻為主的噪聲。降噪波長管利用聲波的相位差疊加消弱原理來降低噪聲，其長度為聲波波長的四分之一，因此當(dāng)聲波從聲源傳播到波長管底部，再反射回聲源后，所經(jīng)歷的時間是半個周期，聲波的相位就相差180°，反射回來的聲波與聲源進行疊加從而達到消弱聲源的

7、效果。
　　6.設(shè)計了兩種不同型式的隔舌:矩形隔舌和圓形隔舌。采用大渦模擬法分別進行計算，并與試驗數(shù)據(jù)對比進行可靠性論證。試驗驗證后對比分析兩種模型，發(fā)現(xiàn)圓形隔舌模型的水力性能優(yōu)于矩形隔舌模型(最大效率差4.2％、最大揚程差4.8m)。對離心泵內(nèi)部流場進行分析，發(fā)現(xiàn)兩種模型的隔舌區(qū)域都有局部高壓區(qū)，但是圓形隔舌的高壓區(qū)域穩(wěn)定，而矩形隔舌的高壓區(qū)域卻隨著流量的增加而逐漸擴大，并且產(chǎn)生旋渦，降低了離心泵的性能。為了研究其壓力脈動情況，