离心泵水动力噪声计算方法研究_何涛

第16卷第4期船舶力学Vol.16No.4 2012年4月Journal of Ship Mechanics Apr.2012文章编号：1007-7294（2012）04-0449-07

离心泵水动力噪声计算方法研究

何涛，钟荣，孙玉东

（中国船舶科学研究中心，江苏无锡214082）

摘要：离心泵作为舰船重要的流体机械，也是管路系统中主要噪声源之一。泵内流动诱发噪声的计算难点在于流噪声声源的准确模拟和边界条件的确定。文中采用CFD方法计算泵内流场并根据FW-H方程提取叶轮转动偶极子声源和蜗壳内表面偶极子声源；基于管道测试技术获得泵进出口边界条件，建立了以蜗壳为界的边界元模型，考虑了蜗壳对声传播的散射作用。通过内域声学直接边界元方法求解泵内声场，建立了离心泵水动力噪声的计算方法。通过试验测试对建立的计算方法进行了验证。计算分析表明：离心泵内主要噪声源为蜗壳表面偶极子声源；泵出口噪声大于入口，具有偶极子声源特性。

关键词：离心泵；水动力噪声；偶极子

中图分类号：U664.5文献标识码：A

Numerical method on hydrodynamic noise of centrifugal pump

HE Tao,ZHONG Rong,SUN Yu-dong

(China Ship Scientific Research Center,Wuxi214082,China)

Abstract：Centrifugal pump is one of the most important fluid machines on ship,and also one of the most important noise sources in piping system.The calculational difficulties of hydrodynamic noise inside cen-trifugal pump are simulating of boundary conditions and noise sources.In this paper,boundary conditions of inlet and outlet of pump are obtained based on piping test technology.The characteristics of flow field in pump are calculated using CFD,and the rotating dipole sources on impeller and the dipole sources near volute are obtained based on FW-H equation.In order to consider the scattering effect of volute,the inte-rior BEM model of pump is constructed,and the interior sound field is computed using BEM.In this way, the numerical method of hydrodynamic noise of centrifugal pump is established.The numerical method is verified by experiment in piping test system.The numerical results indicate that the most important noise sources are dipoles near volute and the hydrodynamic noise of pump is dipole-like.

Key words:centrifugal pump;hydrodynamic noise;dipole

1引言

泵内流动诱发的噪声在管内流体介质中传播，可通过通海口直接向艇外辐射。为降低管路系统引起的辐射噪声，需要对泵进行低噪声设计。低噪声泵改型设计的前提，就是要通过理论或试验方法建立泵结构参数和工况参数与其振动噪声特性的联系。然而，试验方法需要进行大量的模型试验以总结规律，代价大且研究周期长。因此，为了进行低噪声泵的优化设计，必须发展相关的计算方法。

由于泵体结构和水动力噪声机理十分复杂，建立全三维泵水动力噪声的数值计算方法较为困难。

收稿日期：2012-01-23

作者简介：何涛（1983-），男，中国船舶科学研究中心工程师；钟荣（1982-），女，工程师。

450船舶力学第16卷第4期

国外学者结合理论与试验方法，探索了半经验的工程估算方法。Simpson等[1]基于势流理论推导了离心泵的轴频、叶频离散噪声和宽带涡流噪声辐射公式。结合实验拟合参数，提出了离心泵总噪声级的简单经验公式。Parrondo等[2-3]假设蜗壳内声源包括蜗舌处声源和叶轮各流场出口处声源。其中，涡舌处假设存在单个或者多个叶频点声源；叶轮各流场出口处声源考虑了叶轮流道出口射流尾流的影响。此外，建立了泵内流道声传播计算模型，建立了泵出口辐射噪声的计算方法。Argarin等[4]认为泵内水动力宽带噪声是由湍流脉动压力引起，通过相似理论联系叶轮结构参数和水动力性能，通过量纲分析建立了泵的水动力宽带噪声的经验公式。文献[1-4]建立的工程估算方法得到了试验结果较好的验证。然而，这些方法皆基于试验，通过数据回归得到经验公式中的参数，并且能够考虑的结构因素较少，难以指导泵的低噪声设计。因此需要发展全三维数值计算方法。

目前，国内外一般采用CFD方法计算泵内流场，并以泵内压力脉动大小作为评价水动力噪声优劣的标准。Spence[5-6]采用RANS方法建立了泵内流场的计算方法，进行了泵几何和工况参数对脉动压力影响的研究，总结规律以指导优化设计。国内黄国富等人[7-8]从降低泵内水力脉动角度出发，开展了船用离心泵低噪声改型研制，取得了一定的成果。由于文献[5-8]中以流场计算指导低噪声改型设计的方法仍然是定性的，没有进行泵内声场的计算，因此，需要进一步发展泵水动力噪声的计算方法，建立泵结构、工况等参数与其噪声特性的定量关系，更好地指导低噪声设计。

近年来，国外一些学者对泵水动力噪声的计算方法进行了探索。Jeon等[9]使用离散涡方法（DVM）计算了离心叶轮与楔形边界作用下的流场，并结合Lowson声类比理论计算叶片声源强度，使用边界元方法考虑入楔形边界对噪声的衍射和散射计算辐射声场，计算得到的叶频及谐频噪声与试验符合较好。离心叶轮与楔形边界的相互作用相似于泵中叶轮与涡舌的作用。Langthjem等[10-11]使用离散涡方法计算得到了二维离心泵内流场分布，采用FW-H声类比理论计算叶片声源强度，使用边界元方法考虑入蜗壳对声的衍射和散射作用并计算叶频及其谐频的辐射噪声。计算得到的叶频及其谐频辐射噪声与实验结果对比仍存在一定偏差；此外，Jeon与Langthjem都指出，由于离散涡方法不能模拟产生宽带噪声的湍流边界层、分离流和来流脉动的现象，离散涡方法不能计算泵的宽带噪声。

综上所述，目前国内外仍未见公开发表的泵水动力噪声全三维数值计算方法。本文重点对泵内流噪声声源的准确模拟和声学边界条件的确定进行了研究，建立了可用于低噪声设计评估的离心泵水动力噪声计算方法。

2泵内水动力噪声计算方法

采用基于CFD数值模拟技术建立泵内流场计算方法；在非定常流场计算过程中，提取离心泵叶轮和蜗室表面的偶极子声源，采用流体诱导噪声的声类比理论和边界元数值计算方法，计算泵内辐射声场。通过FW-H方程合理地表征了泵内声源，通过内域直接边界元方法求解考虑了蜗壳对声传播的散射作用。

2.1泵内流场数值模拟

采用Fluent进行泵内流场数值模拟。控制方程为不可压缩流体连续性方程与非定常雷诺时均NS 方程，对控制方程中的扩散项使用二阶精度的中心差分格式离散，湍流模型使用SST k-ω模型，对流项使用二阶迎风格式来离散，压力与速度的关联使用SIMPLE方法。边界条件定义为：叶轮、蜗壳、进水管、出水管均为壁面，使用无滑移壁面边界条件；进水口处使用流量入口边界条件，指定进入泵的流量；出水口处使用出流边界条件，指定所有流动变量的扩散通量为零。蜗壳内叶轮部分为流体旋转的区域，叶轮外直至出水管为流体静止区域，在离心泵叶轮区域和蜗室以及叶轮区域和进口区域处分别形成网格滑移的交界面，界面两边分别存在旋转区域和静止区域，利用滑移网格技术，精确考虑不同时刻旋转域和静止域间的相对位置，应用连续界面传递法，准确模拟动静干扰非定常流动。