水泵内部流动诱导噪声的预测

其中， Tij 为 Lighthill 张量，表示如下： 收稿日期：2012-10-28 作者简介：赵
威（1987-） ，男，湖北荆门人，华中科技大学船舶与海洋工程学院硕士生，研究方向为振动与噪声控制。
第2期 赵
威等：水泵内部流动诱导噪声的预测 127 但是在离心泵的出口处时频谱图呈现宽带特性。
参考文献 [1] 周心一， 吴有生.流体动力性噪声的相似关系研究[J].声学 学报，2002， （4） ：373-378. [2] 袁寿其，司乔瑞，薛菲等.离心泵蜗壳内部流动诱导噪声 的数值计算[J].排灌机械工程学报，2011， （2） ： 93-98. [3] 谭永学，王宏光，杨爱玲等 . 离心泵水动力噪声预测[J]. 上海理工大学学报，2011， （1） ：89-94. [4] Lighthill M J. on sound generated aerodynamically I generaltheory [J].Proc Royal Soc London， Ser A.1952， 211 （1107） ： 564-587. [5] Lighthill M J.On Sound Generated Aerodynamically. II.turbu lence as a source of sound[J].Proc Royal Soc London，Ser A.1954，222：1-25. [6] 蒋爱华，张志谊，章艺等.离心泵噪声研究的综述和展望 [J].振动与冲击，2011， （2） ：77-84. [7] 薛菲.离心泵内部流动诱导噪声的数值研究[D].镇江：江 苏大学，2010. [8] 阳君.离心泵内部流动诱导噪声数值研究及声优化[D].镇 江：江苏大学，2011.
滑移壁面边界条件。然后，非定常计算以定常计算的流场为 初 始 条 件 ， 采 用 LES 大 涡 模 拟 ， 亚 格 子 模 型 选 取 Smagorinsky Lilly 模型源自文库旋转区域与静止区域的交界面改 为瞬态转静子（Transient Rotor Stator）模型。时间步长 取 t 1.1494 104 s ，即一个时间步长叶轮旋转 1°。当流 场的周期性变化稳定后，开始输出流场结果，为后面的声学 计算准备数据。
压力脉动在叶频及其谐频处的峰值最小；偏离设计流量时， 偏离设计流量越大，各个监测点的压力脉动在叶频及其谐频 处的峰值越大。 在离心泵内部的压力脉动的离散谱比较明显，
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中 国 水 运
第 13 卷
在本文中，离心泵体声源和面声源的云图如图 5 和图 6。从 图中可以看出，声源强度大的地方为叶轮的出口处，且面声 源包括的叶轮区域的声源强度也很大。
[2]
典型监测点压力脉动频谱图
三、声场计算方法和声学结果分析
图4
声学计算模型
在计算得到了流体计算结果后，将流体计算结果导入 ACTRAN 软件中进行流动诱导噪声的计算。 计算中将蜗壳简 化为理想刚性的硬壁面，不考虑内部的流噪声的透射和对蜗 壳的激励作用。目前的研究大多是考虑没有蜗壳影响时叶轮 的噪声而只考虑蜗壳的壁面偶极子噪声，而本文中通过引入 了面源从而考虑了离心泵内部的旋转区域的噪声源的影响， 这样得到的计算结果相较而言更能从量级上说明离心泵内部 的噪声情况。声学计算模型如图 4，图中的红色区域为体源 区，旋转区域和静止区域的交界面处设为面源区，离心泵的 出口处还有一段为声传播区， 在出口处设为自由透射的边界。
如： （1）
2T 2 2 2 0 c0 0 ij 2 t xi xi xi x j
轮与蜗壳间隙）的交界面选取转子冻结（Frozen Rotor）模 型，计算中各个参数的残差最低收敛到 10-5。边界条件为： 进口设为绝对速度，出口边界设为压力出口，固壁边界为无
噪声主要是由于离心泵内部的叶轮出流和隔舌的动静干涉在 隔舌处引起的压力脉动导致的。相对于以往的研究[2，7，8]只 讨论了离散噪声，本文也给出了由于叶片湍流边界层的压力 脉动的噪声和叶片尾缘涡脱落产生的宽频噪声的量级。 表1 不同流量下监测点的叶频及其谐频处的声压级（dB）
145Hz Q/Qv=0.6 Q/Qv=0.8 Q/Qv=1.0 222.99 218.62 211.54 207.11 202.28 290Hz 212.55 205.98 194.01 191.92 201.5 435Hz 203.84 204.1 198.54 202.34 202.89 580Hz 202.63 201.89 203.99 204.22 204.79
图5
设计工况下蜗壳内的体声源分布
Q/Qv=1.2 Q/Qv=1.4
图6
设计工况下蜗壳内的面声源分布
通过在离心泵的出口处的声传播区内设置监测点，可以 得到不同流量工况下的离心泵内部的声压级曲线如图 7 和图 8。图 7 表示的为仅有体声源作用下的监测点处的声压级曲 线，图 8 为在体声源和面声源共同作用下监测点出的声压级 曲线。从图中可以看出，离心泵内的噪声分为宽频带的噪声 和离散噪声，离散噪声仅在叶频及其谐频处出现 ，这与离
2 Tij uu p p0 c0 0 ij ij
随着结构的动力装置的降噪技术的进步，管路系统中的 流噪声的重要性愈来愈凸显而受到人们的关注。离心泵作为 管路系统中的主要噪声源，它的降噪引起了不少研究人员的 关注。目前，国内外的众多的研究人员分别从试验研究、理 论研究和数值模拟等方面对离心泵的噪声进行了比较详细的 研究，目的在于认清噪声的产生机理，以减小流噪声。 离心泵的诱导噪声是由于结构和流体耦合以及流体内部 湍流所引起的辐射噪声，其主要激发机理是由于固体和流体 的相对运动以及流体自身的不规则运动所激发的流体内部应 力及压力扰动在介质中的传递[1]。目前，针对离心泵的流体 脉动激励而引起结构的振动产生的声辐射的研究很多，对于 流体自身的湍流辐射噪声的研究较少涉及。袁寿其等人[2]采 用间接混合方法，基于 CFD 结合 Lighthill 声比拟理论对蜗 壳内部流场进行声学求解，得出流量是声场辐射的主要影响 因素之一。谭永学等[3]也采用 CFD 结合边界元的混合法计算 了离心泵内部的水动力噪声，认为考虑了蜗壳振动时泵内偶 极子噪声的辐射更合理。以上一些研究都是基于 Howe 的研 究，即在低马赫数流体中偶极子源占主导而单极子、四极子 可以忽略不计。计算时，仅考虑了蜗壳表面的偶极子作用， 而没有考虑叶轮区域的偶极子。但是，本文中的声学计算软 件 ACTRAN 基于有限元和无限元的方法不仅可以考虑偶极 子噪声，也可以考虑由湍流引起的四极子噪声。 本文采用混合方法来研究离心泵不同流量的内部流噪 声。 首先采用基于大涡模拟的 CFD 软件计算离心泵内部的非 定常流场，然后将流场信息作为声源信息输入声学计算软件 ATRAN 中进行声传播计算，从而得到整个离心泵中声场。 一、理论基础 ACTRAN 的声学计算基于 Lighthill 声比拟的变分形式， 经典的声类比公式 Lighthill 公式
体计算中采用大涡模拟内部的三维非定常流场，然后将蜗壳内的流场计算结果作为声源导入声学软件 ACTRAN 中 进行声场计算。数值模拟计算表明：离心泵内部的噪声特性与内部的压力脉动相关，噪声谱由宽带噪声和离散噪声 组成且离散噪声占主导地位。同时研究了不同流量下离心泵的声学特性，发现流量对离心泵的噪声影响较大。 关键词：离心泵；大涡；压力脉动；ACTRAN；数值模拟 中图分类号：S277 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2013）02-0126-03
（3）
其中， 为试函数。声源项为右边的两项。第一项为体 声源项，第二项为面声源项。
ij vi v j p p0 ij ij
（4）
在旋转机械中，转动部分处在一个固定的圆柱面中，在 ACTRAN 中即为控制面。而 ij / x j 则通过积分的方法考虑 了包围的控制面内部的湍流噪声。在 ACTRAN 的声学模拟 中， 表示流体计算中的旋转部分和静止部分的交界面。 二、离心泵内部三维流场的数值计算与分析 1．计算模型及计算方法 计算的模型为单级单吸立式离心泵， 模型泵的主要参数： 进口直径 D1=168.8mm，出口直径 D2=335.7mm，叶片出 口的宽度 b2=35mm，叶片数 Z=6，转速 n=1,450r/min， 体积流量 Qv=277.2m3/h。 计算区域分为进口延长段。叶轮旋转区、蜗壳和出口延 长段 4 个部分。采用 ICEM 对流体计算域划分网格，考虑到 模型的形状复杂，采用适应性强的非结构化网格，最终生成 的网格总数为 2,322,038，其中进口段为 187,000，叶轮为 1,393,571，蜗壳为 447,131，出口段为 294,336。计算域 及网格划分结果如图 1 所示。 中采用 RNG k 湍流模型，叶轮旋转区域与静止区域（叶 首先，用 CFX 软件模拟离心泵内的定常计算。定常计算
（a）监测点 P1
图1
离心泵三维模型图 （b）监测点 P8
2．流场计算结果分析
（c）监测点 P14 图3 图2 监测点位置分布图 对离心泵内部的流场进行了 5 种工况的非定常数值计 算。运行工况为改变进口的流量：Q/Qv=0.6、Q/Qv=0.8、 Q/Qv=1.0、Q/Qv=1.2、Q/Qv=1.4。在各个计算工况下， 叶片的升力、阻力和转矩等呈明显的周期性变化，残差收敛 达 10-5。 由于在低马赫数时，离心泵内部的噪声主要是叶轮和蜗 壳壁面的压力脉动引起的偶极子声。为了了解泵内的压力脉 P2、 … 动特性， 在泵内的设置了一些监测点， 分别定义为 P1、 P18，各监测点的位置如图 2 所示。 对各个监测点的静压值，进行 FFT 变换处理得到各个监 测点的压力脉动频谱，典型监测点的压力脉动频谱如图 3 所 示。可以看出，叶频处是蜗壳内部压力脉动的主要成分，叶 频的谐频处也出现了峰值，但是随着频率的增加很快就衰减 了。同时从图中可以看出，在靠近隔舌处的压力脉动比较强 烈，在离心泵的出口处的压力脉动在叶频及其谐频处的峰值 变得不太明显了。由此可知，离心泵内部的叶轮出流和隔舌 的动静干涉在隔舌处引起的压力脉动是离心泵内部的主要噪 声源之一。 对于不同的流量，在设计流量下各个监测点的
[4，5]
（2）
基于 Lighthill 声类比的变分公式，
c x
2 2 0

2 0

0 dx xi xi

Tij dx ij ni dx x j x x j i
[6]
图8
不同流量下体声源和面声源共同作用下监测点处的声 压级频谱图
心泵内部的压力脉动的规律一致。在不同的流量的工况下， 在额定工况时噪声很小；小于额定工况时，偏离额定工况越 大，噪声越大，如图 9。从图 9 可以看出，在只考虑体声源 时，在额定工况下的声压级最小，而偏离额定工况时声压级 增大。在相对于蜗壳内部的体声源，在叶轮和蜗壳交界面处 的面声源占主导， 说明叶轮内部的湍流脉动产生的噪声更强。 表 1 给出了在体声源和面声源共同作用下监测点的叶频 及其谐频处的声压级。对于这种离心泵，流量越大叶频处的声 压级越小；而随着流量的增大，谐频处声压级先减小后增大。 图9 不同流量下监测点处的总声压级
第 13 卷 2013 年
第2期 2月
中 国 水 运 China Water Transport
Vol.13 February
No.2 2013
水泵内部流动诱导噪声的预测
赵 威 ，柯
1
兵 ，李 奇 ，张咏鸥
2
3
1
（1 华中科技大学 船舶与海洋工程学院，湖北 武汉 430074；2 中国舰船研究设计中心，湖北 武汉 430064 3 上海海基盛元信息科技有限公司，上海 200235） 摘 要：文中采用基于 CFD 和 Lighthill 声比拟的混合方法来研究不同流量下离心泵蜗壳内部的湍流辐射噪声。流