（流体机械及工程专业论文）离心泵内部流动诱导噪声的数值研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 本文是在国家杰出青年科学基金“离心泵基础理论和节能关键技术研究 ( 5 0 8 2 5 9 0 2 ) 和国家自然科学基金“离心泵内部非定常流动诱导振动和噪声机理 研究( 5 0 9 7 9 0 3 4 ) ”的资助下展开的。随着日益严格的噪声标准和客户对泵整体 品质要求的提高，离心泵内部流动诱导噪声的研究成为近年来一个新的研究方 向。由于离心泵内部流动诱导噪声主要通过蜗壳向外传播，因此本文以离心泵蜗 壳内部流动诱导噪声为研究对象，根据l i g h t h i l l 声比拟方程，首次利用c f d 软 件和声振分析软件s y s n o i s e 对离心泵蜗壳内部流动诱导噪声进行数值模拟， 主要研究工作和成果如下： 1 对国内外泵内部流动诱导噪声的研究作了较为系统的综述。通过对离心 泵蜗壳内部声源的分析，认为作为偶极子源的蜗壳表面非稳定力( 压力脉动) 是 蜗壳内部流动诱导噪声的主要声源。 2 采用基于s a 模型的d e s 方法，在c f d 软件f l u e n t 中对包括叶轮和 蜗壳在内的离心泵内部流场进行了二维非定常数值模拟。对离心泵进行性能预 测，并与试验值进行对比，发现两者基本吻合，证明采用该湍流模型对离心泵内 部流场进行非定常模拟是可行的，计算结果可信。 3 在保证性能预测准确的基础上对中截面上不同时刻的静压分布和涡分布 进行分析。对静压分布的分析结果表明：叶轮的旋转对离心泵内部静压分布有一 定的影响，隔舌附近区域静压随时间变化明显，距离隔舌越远，静压变化越小。 对涡分布的分析结果表明：蜗壳隔舌附近有涡出现，且涡度大；小流量下，涡主 要分布在叶轮流道的大部分区域，蜗壳内涡度很小；在设计流量和大流量下，随 着流量的增大，叶轮流道内涡度变小，蜗壳内有明显的涡出现。 4 为研究蜗壳表面压力脉动特性，在蜗壳表面设置监测点，并对各监测点 的压力脉动进行幅域和频域分析。分析结果表明：蜗壳隔舌和叶轮的动静干涉是 引起蜗壳内压力脉动的主要原因；叶频下，隔舌处压力脉动最强，距离隔舌最远 的点p 5 处的压力脉动最弱；设计流量下，蜗壳内部整体压力脉动最弱，偏离设 计流量时，蜗壳内整体压力脉动增强。 5 利用s y s n o i s er e v 5 6 的新增模块流动诱导噪声模块，采用直接边 江苏大学硕士学位论文 界元法，导入蜗壳表面压力脉动的时域数据，并直接转化为偶极子声源，通过f f r 变化将偶极子源转化为频域分布，进而求解偶极子声源的声场。 分析结果表明：偶极子声源分布与蜗壳表面的压力脉动特性有着直接关系， 但不同频率下偶极子声源的辐射效果不一样，通过压力脉动的强弱进行声强大小 的判断只能适应于某些特殊情况；蜗壳出口处的噪声声压级在1 6 5 d b 以上，尤 其在1 4 q d 工况下，声压级已经达到1 7 0 3 d b ，因此，降低蜗壳内部流动诱导噪 声在离心泵降噪研究中具有重要意义；各监测点的声场是由非定常流动诱导产生 的噪声和其它声源产生的流动诱导噪声传播辐射的共同结果，在降低离心泵蜗壳 内部流动诱导噪声的研究中，要充分考虑声源及其传播特性。 关键词：离心泵，流动诱导噪声，数值模拟，压力脉动，偶极子源，动静干涉 i i 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ep a p e ri sc a r r i e do u ti nt h es u p p o r to ft h en a t i o n a lo u t s t a n d i n gy o u t hs c i e n c e f u n d r e s e a r c ho nb a s i ct h e o r ya n dk e yt e c h n o l o g i e so fe n e r g y - s a v i n gf o rc e n t r i f u g a l p u m p s ( 5 0 8 2 5 9 0 2 ) ，a n d t h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a m e c h a n i s mo fv i b r a t i o na n dn o i s ei n d u c e db yu n s t e a d yf l o wi nac e n t r i f u g a lp u m p ( 5 0 9 7 9 0 3 4 ) r e s e a r c ho nt h ef l o w i n d u c e dn o i s ef o rac e n t r i f u g a lp u m pi s an e w r e s e a r c ha r e ai n r e c e n ty e a r s ，d u et ot h ei n c r e a s i n g l ys t r i c tn o i s es t a n d a r d sa n d c u s t e m e rr e q u i r e m e n t st oi m p r o v et h eo v e r a l lq u a l i t yo ft h ep u m p t h i sp a p e ri s c o n c e r n e dw i t hd e t e r m i n a t i o no ft h ef l o w i n d u c e dn o i s ew i t h i nt h ev o l u t e ，a st h e n o i s ei n d u c e db yu n s t e a d yf l o wr a d i a t e sm a i n l yt h r o u g ht h ev o l u t ea n dt h ep i p e s a c c o r d i n gt ol i g h t h i l l a c o u s t i ca n a l o g ye q u a t i o n ，t h ef l o w i n d u c e dn o i s ef o ra c e n t r i f u g a lp u m pv o l u t ew a ss i m u l a t e du s i n gf l u e n t a n ds y s n o i s e t h em a i n w o r ka n da c h i e v e m e n t sa r eo u t l i n e da sf o l l o w s ： 1 t h ep r e s e n ts i t u a t i o no ff l o w - i n d u c e dn o i s ef o rac e n t r i f u g a lp u m pi sb r i e f l y i n t r o d u c e d t h r o u g ha n a l y z i n gt h ea c o u s t i cs o u r c e sw i t h i nt h ec e n t r i f u g a lp u m p v o l u t e ，i ti sp o i n t e do u tt h a tt h eu n s t e a d ys u r f a c e lp r e s s u r e ( p r e s s u r ef l u c t u a t i o n ) a sa d i p o l es o u r c ei st h em a i na c o u s t i cs o u r c e 2 w i t hd e t a c h e d e d d ys i m u l a t i o n ( d e s ) - b a s e ds p a l a r t a l l m a r a s ( s a ) ，t h e3 - d n u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft u r b u l e n t u n s t e a d yf l o wo nt h ew h o l ei m p e l l e r - v o l u t e c o n f i g u r a t i o nw a sp e r f o r m e du s i n gc o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ( c f d ) t e c h n i q u ei n o r d e rt oo b t a i nt h ep r e s s u r ef l u c t u a t i o n so nt h ec a s i n gw a l lw h i c hs e r v ea sd i p o l e s o u r c e s t h er e s u l t sp r e d i c t e db yt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n sw e r ei nc o i n c i d e n tw i t h t h et e s t i n gr e s u l t s i ts h o w st h a tt h et u r b u l e n c em o d e lf o rs i m u l a t i n gt h ef l o wf i e l di n c e n t r i f u g a lp u m p si sf e a s i b l e 3 i ti sp r o v e dt h a tt h er o t a t i o no ft h ec e n t r i f u g a lp u m pi m p e l l e rh a sa ne f f e c to n t h es t a t i cp r e s s u r ed i s t r i b u t i o ni nt h ec e n t r i f u g a lp u m pw h i c hw a sa n a l y z e da td i f f e r e n t t i m e o nt h ea n a l y s i so fv o r t i c i t yu n d e rd i f f e r e n to p e r a t i n gc o n d i t i o n s ，i ti sf o u n d e d t h a tt h ev o r t e xa p p e a r sn e a rt h et o n g u e i ns m a l lf l o w , t h ev o r t e xm a i n l yd i s t r i b u t e si n 1 1 1 江苏大学硕士学位论文 t h em a j o r i t yr e g i o n so ft h ei m p e l l e rp a s s a g ea n dt h ev o r t i c i t ym a g n i t u d ei nt h e d i f f u s i o nt u b ei sv e r ys m a l l a st h ef l o wi n c r e a s e s ，t h ev o r t i c i t ym a g n i t u d ei nt h e i m p e l l e rp a s s a g eb e c a m es m a l l e ra n dt h ev o r t e xa p p e a r so b v i o u s l yi nd i f f u s i o nt u b e 4 t h ea m p l i t u d ed o m a i na n dt h ef r e q u e n c yd o m a i no fp r e s s u r ef l u c t u a t i o na t m o n i t o r i n gp o i n t s u n d e rd i f f e r e n t o p e r a t i n gc o n d i t i o n s f o rd i f f e r e n tz o n e sa r e a n a l y z e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h er o t o r - s t a t o ri n t e r a c t i o nb e t w e e nt h ei m p e l l e ra n d t h ev o l u t ei st h em a i nf l u c t u a t i o ns o u r c eo fp r e s s u r ef l u c t u a t i o na n dp r o p a g a t ei nt h e f l o wc h a n n e l a tt h eb l a d ep a s s i n gf r e q u e n c y , t h ep r e s s u r ef l u c t u a t i o ni ss t r o n g e s t n e a rt h et o n g u ea n di s s l i g h t e ra tt h ef u r t h e s tp o i n tp 5a w a yf r o mt h et o n g u e t h e o v e r a l lp r e s s u r ef l u c t u a t i o ni nt h ev o l u t ew i t hd e s i g no p e r a t i n gc o n d i t i o nw a s s l i ! g h t e r t h a nt h a tw i t ho f f - d e s i g no p e r a t i n gc o n d i t i o n a c c o r d ；n gt ot h ea n a l y s i so fp r e s s u r e f l u c t u a t i o n ，t h ed i s t r i b u t i o no ft h es u r f a c ed i p o l e sc a nb ef o r e c a s t e d 5 w i t hb o u n d a r ye l e m e n t sm e t h o d ( b e m ) ，t h es u r f a c ed i s t r i b u t e dd i p o l e sa n d n o i s eg e n e r a t e db yt h eu n s t e a d ys u r f a c ep r e s s u r ef l u c t u a t i o ni nt h ev o l u t ei sp r e d i c t e d u s i n gs y s n i o s e t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e r ee x i s t sad i r e c t r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es u r f a t , c d i s t r i b u t e dd i p o l e sa n dt h ep r e s s u r ef l u c t u a t i o nc h a r a c t e r i s t i c si nv o l u t e b u tt h e r a d i a t i o ne f f e c t so fs u r f a c ed i s t r i b u t e dd i p o l e sa td i f f e r e n tf r e q u e n c i e sw o u l db e d i f f e r e n t t od e t e r m i n et h ea c o u s t i cp r e s s u r ef i e l di nt h ev o l u t eb yp r e s s u r ep u l s a t i o n i s a p p r o p r i a t eo n l y f o rs o m e s p e c i a lc i r c u m s t a n c e s t h ei n h o m o g e n e o u sw a v e e q u a t i o n si sn o n l i n e a r , w h i c hd e t e r m i n e sb e t w e e nt h ep r e s s u r ep u l s a t i o na n dt h e d i p o l es o u r c e sr a d i a t i o nc h a r a c t e r i s t i c si sn o tas i m p l el i n e a rr e l a t i o n s h i p t h es o u n d p r e s s u r el e v e li nv o l u t ee x i ti s17 0 3 d bw h e nt h ef l o wr a t eu pt o1 4 0 d i t si m p o r t a n tt o r e d u c et h ef l o w i n d u c e dn o i s ei nv o l u t ef o r t h ec o n t r o lo fn o i s ei nac e n t r i f u g a lp u m p t h es o u r c ea n dp r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i c ss h o u l db ef u l l yc o n s i d e r e db e c a u s et h e a c o u s t i cf i e l di st h ec o m m o nr e s u l to fr a d i a t i o nb yi t s e l fa n do t h e rs o u n ds o u r c e s k e yw o r d s ：c e n t r i f u g a lp u m p ，f l o w - i n d u c e dn o i s e ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，p r e s s u r e p u l s a t i o n ，d i p o l es o u r c e s ，r o t o r - s t a t o ri n t e r a c t i o n i v 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密4 学位论支作者签名：指导教师签名： 爹彩 年月日乞夕，。年6 月， 日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：年月日 江苏大学硕士学位论文 1 1引言 第一章绪论 泵广泛应用于国民生产各部门以及船舰和航天航空等尖端科技领域，凡是有 流体输运的地方都有泵在工作，但泵也是一个主要的振动噪声源。随着科学技术 的发展和人们环境意识的提高，降低泵的振动噪声也成为重要的研究内容之一。 泵的噪声主要包括机械噪声和流动诱导噪声等。随着机械噪声得到越来越有效的 控制，对泵流动诱导噪声的研究越来越受到重视，这也是降低泵噪声的有效措施 之一。 泵内部流动诱导噪声主要是由离心泵内部非稳定流动所引起的，也就是流体 的扰动、流体与流体及流体与固体间相互作用，实质上是泵内部流动的一种反映 形式。 泵内部流场非定常的湍流特性、叶轮与压水室f 动静干扰、涡流及回流等都 可能引起压力脉动，进而激发泵体的振动，影响泵系统的正常运转，降低泵的使 用寿命。如果这种激励振动的频率接近泵的主频，还会发生共振，并在相邻的环 境介质内引起声压波动，产生很大的噪声。 由于对泵内部流动诱导噪声的研究不仅涉及到离心泵内部流场、压力脉动， 还涉及到离心泵的振动，所以，对泵内部流动诱导噪声的研究不仅对泵的减振降 噪具有重要意义，而且降噪过程也是对泵内部流场进一步优化。因此，离心泵内 部流动诱导噪声的研究对提高泵的整体性能有重要意义。 降低离心泵内部流动诱导噪声的研究是一个不断优化的过程，每一阶段都要 对流动诱导噪声的大小进行测量或者预测。采用实验的方法对流动诱导噪声进行 测量在整个降噪过程中会耗费大量的时间、物力和人力，而计算机技术的发展为 流动诱导噪声的预测提供了可能性，采用数值模拟的方法可以避免实验测量的种 种弊端，因此，提出一种准确、高效和便捷的数值模拟方法在流动诱导噪声的研 究中变得尤为重要。 本文拟采用数值模拟的方法，对离心泵内部流动诱导噪声进行预测，为离心 泵内部流动诱导噪声的进一步研究奠定基础。 江苏大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 泵内部流动诱导噪声产生的因素很多，如汽蚀、动静干涉和进出口回流等。 自2 0 世纪中叶起，美国学者s t e p a n o f f 等【1 】已经开始对泵汽蚀产生的噪声进行研 究。b r e n n e n 2 、l e i g h t o n t 3 1 、f a n e l l i 4 、l i 【5 】等也对汽蚀噪声进行了大量的研究， 提出了一些相应的数值计算方法，但这些算法只适用于在某些特定工况下计算汽 蚀噪声。对于泵内非汽蚀引起的流动诱导噪声，自2 0 世纪6 0 年代中期开始才有 学者对此做较深入的研究，主要包括理论研究、实验研究和数值研究。 1 理论研究 理论研究是离心泵内部流动诱导噪声研究的主要内容，不仅对实验研究和数 值模拟等具有指导作用，而且还是其它各种研究结果的分析依据。 s i m p s o n t 等【6 】对离心泵内部流动诱导噪声的产生机理进行了研究。研究结果 表明，叶片不对称不仅会导致轴频噪声的产生，还会影响轴频噪声和叶频噪声的 能量比例关系，但其能量总和基本不变。g u e l i c h 等1 7 】和l o n g l e y 【8 】分别通过对离 心泵内部流场的研究，发现流动诱导噪声的产生与流体的绕流、流动分离和旋涡 所引起的压力脉动密切相关。o i n 等【9 ，1 0 】采用奇点法对扩散段内由于叶轮叶片和 导叶之间的相互作用所导致的不稳定流进行研究，认为导叶和叶轮叶片的边界层 涡和导叶尾迹中的自由涡等三种不稳定涡是导致导叶内不稳定流动的主要原因， 并分析了各种不稳定涡对压力脉动的影响大小，同时还给出了流量和蜗壳隔舌与 叶轮之间的径向间隙对叶轮下游压力脉动振幅的影响。 2 实验研究 实验是对离心泵内部流动诱导噪声进行研究的重要手段，实验研究可以对理 论研究和数值模拟进行验证。 d o n g 等【1 1 】研究了离心泵叶片与隔舌间的相互作用对泵内部不稳定流场、压 力脉动和流动诱导噪声的影响。研究发现，轮舌间隙存在一个最佳值，超过或者 低于该值，都会使流动噪声增大。c h o i 等【1 2 】对离心叶轮在空气中的大尺度流场 的不稳定性和其所产生的噪声过程进行了实验研究。研究发现，在叶片表面有周 期性的压力脉动产生，通过对叶片表面声压和远场声压进行相关性研究，得到与 2 江苏大学硕士学位论文 叶轮叶片数同步的a z i m u t h a l 模式较其它模式更易产生噪声。 由于泵必须与管路连接成系统之后才能正常运行，因而泵内产生的流动诱导 噪声在传播过程中势必会受到管路和端口声学特性的影响。g a t l a n d 1 3 】、w i l l i s t l 4 l 、 t o 1 5 - 1 7 和c h a r l e y 1 8 】等从不同方面分别对声学中四端网络方法进行了研究，研究 结果可以为泵内部流动诱导噪声的测量方法所借鉴。r z e n k o w s k i 等【1 9 】对叶频处 离心泵的流动诱导噪声进行了实验研究。研究发现，对于水力学特性相似的泵， 它们辐射出的声能量会因设计的不同而产生明显差异；在将离心泵出口处测得的 压力脉动的振幅信号作为离心泵的声源特性参数时，无法去除管道声学特性的影 响，为了解决这一问题，他采用基于四端网络的测试方法，得到了满意的结果。 影响实验结果的因素不仅有测量方法，还有测量技术。测量技术的不断发展 不仅使原有的测量精度得到提高，也使新的测量内容成为可能。 d o n g 等【2 0 ，2 1 】利用可视化技术( p d v 或p i v ) ，对离心泵中的液流进行了实验 测试，证实泵出口的液体压力是脉动的，且与叶轮和隔舌的相互位置密切相关。 c h u 等【2 2 2 3 】介绍了通过p d v 结果来计算压力场的方法。g u e l i c h 等【刎通过对3 6 组不同配置泵的实验数据进行统计分析，发现离心泵的运行工况对测量得到的压 力脉动有很大的影响，压力脉动依赖于叶轮和导叶的设计细节。 3 数值研究 实验研究虽然在离心泵内部流动诱导噪声研究中具有重要作用，但其容易受 到实验条件的限制，且费时费力。而数值模拟弥补了实验方法的这些不足，在离 心泵内部流动诱导噪声的预测等方面具有良好的适用性。 j e o n 等【硎对位于直角楔形物旁离心风扇的叶频噪声进行了数值预测。分别 采用离散涡方法和k i r c h h o f f - h e h n h o l t z 边界元方法( b e m ) 计算得到离心风扇 叶片上每个单元受到的力和流动诱导噪声辐射声场，辐射声场呈现出楔形物的衍 射和散射特性。l a n g t h j e m 等【2 6 , 2 7 1 对离心泵内部流场特性和流动诱导噪声进行了 二维数值研究，认为叶片表面的旋转偶极子是泵内主要噪声源，同时通过傅里叶 变换，对模拟所得到的声场结果进行频域分析。结果表明，叶频及其高次谐频是 流动诱导噪声的主要频率。该研究为离心泵内部流动诱导噪声的数值模拟和预测 提供了参考。t i m u s h e v 2 8 】提出了一种泵内部流动噪声三维数值算法。该算法基于 声涡模式( a c o u s t i c v o r t e xm e t h o d ，a v m ) ，通过将扰动速度场分解为与压力有 3 江苏大学硕士学位论文 关的声场项和与压力无关的涡场项，然后通过物面边界条件建立起物面上的声场 项与来流扰动速度之间的关系，进而求解声场。计算所得结果与实验结果吻合较 好。 综上所述，国外在离心泵内部流动诱导噪声的研究已经有半个世纪的历史， 主要集中在理论研究、实验研究和数值模拟等方面。实验研究已经从测量技术到 测量方法都得到了进一步的完善发展，而数值计算方面的研究还属初步阶段。 1 2 2 国内研究现状 在我国，目前大部分研究集中在泵内部非定常流场和压力脉动方面，对于泵 内部流动诱导噪声的研究很少，且主要是以实验为主，声场数值模拟的研究几乎 是空白。 袁建平【2 9 】应用p i v 和c f d 技术对多设计方案下低比转速离心泵内部流场 的流动进行了测试和模拟。刘冀生刚通过实验的方法对离心泵内的压力脉动特 性进行研究，其在蜗壳、吸入管和出口管都布置了测点，分别研究了蜗壳、吸入 管和出口管内的压力脉动特性。 李晓宏【3 1 1 、冯涛【3 2 】等设计了一套离心泵水动力噪声测试系统。该系统可以 对离心泵在各种运行工况下的水动力学参数、振动和流动诱导噪声的信号进行实 时采集。通过对采集数据的分析处理，进一步研究离心泵内部流动诱导噪声与各 参数之间的相互关系。 张玲【3 3 】和徐朝晖【3 4 ，3 5 】等对包括诱导轮在内的高速泵进行了全流道非定常数 值模拟，李新宏【3 6 】和陈党民【3 7 】等应用s t a r c d 对三种工况下的部分流泵内的非 定常流场进行了模拟，对各叶轮流道内压力脉动以及扬程的变化进行了分析。耿 少娟等【3 8 】应用f l u e n t 对无短叶片、长短叶片和短叶片三种叶轮的单级离心泵 在设计点的全流场进行了非定常的数值模拟，并分析由于动、静部件干涉引起的 叶轮进口和蜗壳出口的压力脉动。 吴仁荣等【3 9 】分别对离心泵吸入接管的管径、叶轮进口直径、叶片进口安放 角、叶片数、叶轮出口宽度以及压水室的型式等参数做了详细的分析，总结了离 心泵振动噪声产生的各种因素，并提出了一些优化方法。 陈乃祥等【加】认为，从本质上来讲，离心泵的流动诱导噪声完全可以通过流 体力学方程组求出，但由于离心泵内部的三维粘性湍流是一高度复杂的物理现 4 江苏大学硕士学位论文 象，现阶段还不具备直接求解的条件，因此，必须根据具体情况进行简化求解。 离心泵内部流动诱导噪声的研究在国内并不多见，江苏大学流体机械及工程 技术研究中心在国家课题的支持下，开始对离心泵内部流动诱导振动噪声进行系 统研究。倪永燕【4 1 1 利用f l u e n t 软件对离心泵全流道进行了非定常数值模拟， 并监测了设计工况下叶轮流道不同半径处压力脉动的变化，分析了非设计工况下 蜗壳不同截面处压力脉动分布。刘阳【4 2 】采用大涡模拟法分别对轴流泵和离心泵 多个工况下的压力脉动进行了预测，得到了监测点的时域特性和频域特性。袁建 平等【4 3 1 总结了离心泵内几种非定常流动的现象及其测试方法，认为离心泵内部 的非定常流动是未来的研究方向。熊海芳等洋】总结了离心泵内部流动诱导噪声 的两种测试方法。袁寿其、杨勇等【4 5 舶】通过实验方法对离心泵变工况下的内部流 动诱导噪声测试和分析，初步探索了不同工况下诱导噪声的特性和发展规律。袁 寿其、薛菲等【钥研究了离心泵内部压力脉动和流动噪声在不同工况下的变化规 律及其关系，认为大流量下，汽蚀、湍流对流动噪声的影响不能忽略，通过压力 脉动预测噪声在大流量工况下会引起偏差。这些研究虽然还处于起步阶段，但是 对离心泵内部流动诱导噪声的研究已作了初，探索。 综上所述，实验仍是国内外研究离心泵内部流动噪声的主要手段，数值模拟 主要集中在泵内部流场和压力脉动的分析上，流动诱导噪声的数值模拟基本为空 白。 1 2 3 流动诱导噪声的数值模拟方法 由流体运动诱导产生的噪声，统称为流动诱导噪声，根据流体介质的不同， 可以分为由气体诱导产生的噪声气动诱导噪声( 简称为气动噪声) ，和由液 体诱导产生的噪声液动诱导噪声两种，本文称由离心泵内部流动诱导产生的 噪声为离心泵内部流动诱导噪声。 由于流动诱导噪声的研究是伴随着高速飞机、航空航天飞船的气动噪声问题 的出现开始的，而气动噪声的研究又是流动诱导噪声研究的一部分，并且可以被 液动诱导噪声研究所借鉴，因此，下面对气动噪声数值模拟方法进行总结。 气动噪声数值模拟的方法主要有以下四种：计算气动声学方法 ( c o m p u t a t i o n a la c r o a c o u s t i c s ，c a a ) 、声类比方法( a c o u s t i c a n a l o g y ，a a ) 、基 于稳态r a n s 的噪声源模拟和c f d 与声学求解器耦合方法。 5 江苏大学硕士学位论文 1 计算气动声学方法( c o m p u t a t i o n a la e r o a c o u s t i c s ，c a a ) 直接计算气动噪声的方法【钙】通常称为计算气动声学方法( c a a ) 或者直接 噪声计算( d i r e c tn o i s ec o m p u t a t i o n ) ，即在对流场进行求解的过程中也对声压脉 动进行充分的瞬态求解。声源与声音接收者都在计算域内，监测点所有的声学信 息都可以直接从c f d 结果中提取。 c a a 方法的优点在于不需要再引入额外的声学模型；能考虑所有的物理影 响，如反射、散射、共鸣等；能有助于更好地理解噪声产生与传播的机理。主要 缺点在于通常只适合计算低频域范围的噪声；需要很致密的计算网格；进行瞬态 求解的每个时间步长较短，导致求解总时间很长，对计算机硬件的要求也很高。 2 声类比方法( a c o u s t i ca n a l o g y ，a a ) 声类比方法是一种非直接求声场的方法，主要包括两个基本步骤：首先使用 c f d 准确模拟声源附近的瞬态流场，然后通过求解波动方程计算噪声从声源到 接收者的传播。所谓“类比 是指将复杂的流动过程用等效的声源代替，使用类 比方法计算声音从声源到接收者的传播。 获得流场信息后，应用类比方法计算声音传播，比较常用的两种类比方法是 l i g h t h i l l c u r i e 方法和f w - h 力法。声类比方法的主要优点在于瞬态流场的计算 量小于c a a 方法，计算域中可以不包含声音接收者；主要缺点是没有考虑流动 对声音传播的影响。声类比方法已经在汽车【4 9 】和风扇【5 0 】的流动诱导噪声预测方 面得到了应用。 3 基于稳态r a n s 的噪声源模拟 因为稳态r a n s 方法忽略了n s 方程中的时间项，不能获得流场中压力随时 间的瞬态变化，所以无法直接获得流动诱导噪声声源的具体信息。然而，这种方 法也提供了许多有价值的流场信息，包括平均速度、平均压力、湍动能等，根据 这些已知流场信息，通过l i l l e y 方程【5 1 ，5 2 】与合成湍流方法( s y n t h e t i ct u r b u l e n c e m e t h o d ) 5 3 】可以获得流场的速度波动特性，进而预测流动诱导噪声声源的强弱。 基于稳态r a n s 的噪声源模拟方法的优点在于计算量小，主要缺点是只能 定性预测流动诱导噪声声源的强弱，不能计算出声压的大小。 4 c f d 与声学求解器耦合方法 应用c f d 计算源场，再将源场计算结果输入声学模拟软件( 如s y s n o i s e ， 6 江苏大学硕士学位论文 a c t r a n ) 进而计算声音的传播与接受点的响应。这种耦合方法在预测风扇流 动诱导噪声方面得到了应用【5 4 1 。 将c f d 软件与声学模拟软件耦合的一个前提条件是保证c f d 计算结果的精 确性。理想的情况是首先应用c f d 方法对流场进行瞬态求解，获得关键的声源 信息，然后建立研究对象的边界元( 有限元) 模型并将c f d 计算获得的声源信 息输入声学模拟软件，最后求解流动诱导噪声。 c f d 与声学求解器耦合方法的优点在于可操作性强，可以充分利用c f d 软 件和声学模拟软件各自的优势，主要缺点是，c f d 软件和声学模拟软件之间的 数据传输有局限性。 由于目前直接将c a a 方法用于工程并不具有可行性，而仅应用稳态r a n s 方法只能用来分析流动诱导噪声声源的强弱分布，并不能进一步得到泵内部流动 噪声的声压大小以及各噪声源的贡献量，因此，本文通过f l u e n t 和s y s n o i s e 之间的数据接口，采用c f d 与声学求解器耦合的方法，对离心泵内部流动噪声 进行求解。 1 3 离心泵内部流动诱导噪声研究的难点 由于离心泵内部流动产生的诱导噪声是通过蜗壳壁面和管壁向外传播的，而 且蜗壳内部的流动在降低泵的整个能量损失中有着重要意义【5 5 1 ，因此，本文主 要研究蜗壳内部流场及其诱导产生的噪声。 由于离心泵蜗壳在形状上是非对称的，而且流动诱导噪声的研究涉及到流体 动力学、振动和流体声学等多学科的研究，因此，离心泵内部流动诱导噪声的研 究已成为不是单一学科所能解决的问题，其难点有： ( 1 ) 学科的交叉性：流体动力学、振动学和流体诱导声学等都是离心泵内 部流动诱导噪声研究所涉及到的领域，而这些学科之间极为复杂的关系，决定了 流动诱导噪声数值模拟的难度。 ( 2 ) 影响因素的多样化：预测离心泵内部流动诱导噪声包括两个数值模拟 的过程，首先采用c f d 方法对泵内部流场进行数值模拟，然后将c f d 方法获 得的压力一频率数据输入声学模拟软件，经声学求解器求解离心泵蜗壳内部流动 诱导噪声。其中对离心泵内部非定常流场的瞬态求解是较为困难的，很难对诸如 7 江苏大学硕士学位论文 流体脱流、回流、湍流、涡流、压力脉动、汽蚀等影响流动诱导噪声的流动现象 进行精确的模拟。 ( 3 ) 流体声学理论的复杂性：l i g h t h i l l 方程本身不封闭，后人的工作一直是 在做近似。而后来出现的涡声理论虽然能在流动诱导噪声机理研究方面表现出很 大的优势，但是，在流动诱导噪声的数值模拟方面有很大的局限性。 1 4 本文的主要研究内容 本文拟在分析泵内部流动诱导噪声国内外研究现状的基础上，选择c f d 与 声学求解器耦合的方法，对离心泵蜗壳内部流动诱导噪声进行数值模拟。首先在 f l u e n t 中采用分离涡方法( d e s ) 对离心泵内部流场进行三维非定常模拟，然 后将蜗壳表面分布的非定常力导入声振分析软件s y s n o i s e 中，应用其流动诱 导噪声模块进行声场模拟。具体的研究内容如下： ( 1 ) 深入理解l i g h t h i l l 方程中各项的含义，通过分析、简化，确定蜗壳内部 流动噪声的主要声源。 ( 2 ) 利用f l u e n t ，采用基于s a 模型的d e s 方法对不同流量下包括叶轮 和蜗壳在内的离心泵全流场进行三维非定常计算，得到各流量下蜗壳表面非定常 力的瞬态信息。 ( 3 ) 对各流量下离心泵蜗壳内部监测点的压力脉动进行幅域和频域分析，研 究各流量下蜗壳内压力脉动特性，并通过其定性预测偶极子声源的分布规律。 ( 4 ) 利用s y s n o i s e 的流动诱导噪声模块，采用直接边界元法，对离心泵 蜗壳表面非定常力作用产生的流动噪声及其辐射声场进行计算，并研究各流量下 蜗壳内部的声场特性。 8 江苏大学硕士学位论文 第二章流体声学理论 流动诱导噪声声场是流场的一种特殊形态。包括n s 方程在内的流体动力 学方程描述了牛顿粘性流体的普遍规律，而流体流动本身诱导的声音更是离不开 流体动力学方程的约束。因此本章从流体动力学基本方程出发，导出l i g h t h i l l 方程，并将其推广到适用于具有静止物体边界的场合，结合本文研究对象的流动 特点，对离心泵蜗壳内部流动诱导噪声源进行分析。 2 1 流体诱导声学方程 运动流体的声波动方程可从流体力学基本方程导出。f 面以n - s 方程为基 础，结合连续性方程，推导出流动诱导噪声的基本方程u g h t h i l l 方程【5 “7 1 。 流动噪声是由于流体流动产生的，而流体流动遵守的主要方程【5 8 1 有： 1 连续性方程 塑+ 塑：o ( 2 1 ) 魂 魄t 2 动量方程 塑+ o ( p u i u j ) ：一鱼+ 鱼( 2 - 2 ) a t 瓠i瓠t 敏j 式( 2 2 ) 的为粘性应力张量，由下式给出 勺训警+ 瓦o u j 一) 2 8 。a u , ) ( 2 - 3 ) 将式( 2 1 ) 对t 微分，得 o e _ p + 0 2 ( p u f ) ：o ( 2 - 4 ) o t 啦出 取式( 2 2 ) 的散度，得 一0 2 p 比i + 0 2 p u i u l ：一一0 2 p + 生( 2 - 5 ) a c i a a x 缸i瓠? 瓠融j 将式( 2 - 4 ) 与( 2 5 ) 相减，得 9 江苏大学硕士学位论文 等等= 去c 胛，吲 协6 ， 魂2 j a ) c ? a ) c ? a x ? v 叩j 、自 ? 式( 2 6 ) 两边同时减去c 0 2 v 2 p ，得 害v 2 p = 去( 刚，叫磊( p - - c 0 2 砌 ( 2 - 7 ) 式( 2 - 7 ) 的磊为k r o n e c k e r 函数，由下式给出 磊= 器蓦 协8 ， 对于在远场未受到任何扰动的流体，显然孕与罢拿均应为零，因此自然 o t o 蹴： 可以得到密度波动方程 可0 2 p 一v = 丽o e t , j ( 2 - 9 ) = p - p o ( 2 1 0 ) 弓= p u i u ，一勺+ 磊【( p p o ) 一c 0 2 ( p - p o ) ( 2 1 1 ) 上述各式中，毛为l i g h t h i l l 应力张量；为流体密度的变化量；p 为流体 密度；, o o 为未受扰动时的流体密度或流体密度的均值；u 为速度；p 为流体受 到的压强；p o 为未受扰动时流体受到的压强；c 0 为声速；r 为时间；x 为空间坐 标；为动力粘度；指标i 、表示坐标轴方向分量，遵从张量中的求和约定。 式( 2 9 ) 便是l i g h t h i l l 于1 9 5 5 年给出的运动流体发声的声波动方程。在无 边界的自由空间中，流体产生的噪声实际上与静止媒介中受到单位体积强度为毛 的四极子源的扰动所产生的噪声相同。该方程两边的变量是相互包含的，原则上 可以从这一方程出发通过解析或者数值方法获得解。然而，与n s 方程一样， 由于方程本身的复杂性和非线性，其解析解目前未获得。至于数值解，一方面由 于是一极小量，