离心泵水动力噪声预测

离心泵水动力噪声预测 离心泵水动力噪声预测 第33卷第1期 上海理_T-大学 J.UniversityofShanghaiforScienceandTechnologyVo1.33No.12011 文章编号:1007—6735(2011)01—0089—06 离心泵水动力噪声预测 谭永学,王宏光,杨爱玲,王 (上海理工大学能源与动力工程学院,上海 镇宇,徐小龙 200093) 摘要:利用计算流体动力学(CFD)方法对离心泵内的三维流动进行数值模拟,基于CFD结果分析 流场的非定常特性,并从非定常计算中提取偶极子声源信息,再应用边界元计算方法,对比分析是 否考虑结构振动两种情况下边界上的响应情况,结果表明:考虑振动时的声场分布更加合理,进而 在声振耦合计算的基础上,求解泵内偶极子噪声的辐射水平. 关键词:离心泵;偶极子源;声振耦合;噪声辐射 中图分类号:TH311文献标志码:A Numericalpredictionofhydrodynamic noiseforacentrifugalpump TANYong—XUO,WANGHong—guang,YANGAi-ling,WANGZhen—yu,XUXiao-long (SchoolofEnergyandPowerEngineering,UniversityofShanghaifo ScienceandTechnology,Shanghai200093,China) Abstract:Thethree.dimensionalunsteadyflowsimulationofacentrifugalpumpwascarried out bysolvingtheunsteadyNavier— Stokesequations.Dipolesourceswereextractedinthecalculation. Theunsteadycharacteristicofflowfieldandthemajornoisesourcewereanalyzedonthebasisof computationalfluiddynamiesresults.Theresponsesolutionontheboundarysurfacewasfinallycal? culatedbyusingboundaryelementmethodintwocases.inwhichthevibrationiSneglectedorcon— sidered.Bycomparison,itappearsthatthecaseofconsideringvibrationismorereasonable.Thele- vetofdipolesourcesnoiseradiationinthepumpwassolvedsuccessivelybasedontheresultsofvi— bration-acousticcoupledcalculation. Keywords:centrifugalpump;dipolesources;vibration—acousticcoupled;noiseradiation 离心泵是一种通用的流体机械,在工农业及日 常生活中应用非常广泛,随着对环境要求的日益提 高,离心泵的低噪声问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 也越来越受到人们的关注. 离心泵内高度的非定常流动以及流体与结构的相互 作用是产生噪声的诱因.国内外众多学者分别从实 验,理论分析,模拟等方面对离心叶轮机械的噪声辐 射问题进行研究,目的在于认清其产生机理,从而控 制其影响. 文献[1—2]针对两维模型泵进行数值模拟,结 合Lighthill声比拟理论,分析了离心泵内激发噪声 收稿日期:2010—09—02 基金项目:国家自然科学基金资助项目(50976072);上海市重点学科建设资助项目 (J50501) 作者简介:谭永学(1985一),女,硕士研究生.研究方向:水泵性能模拟与噪声. 王宏光(联系人),男,教授.研究方向:水泵性能模拟及噪声.E— mail:whg2005@usst.edu.cn 上海理工大学2011年第33卷 的单极子,偶极子和四极子源以及各自的存在形式, 并且指出,单极子源在设计较好的泵内通常很微弱, 偶极源占有非常重要的量级,尤其是在水利性能比 较高的泵内.对于运行在典型工况下的离心泵,由非 定常湍流引起的四极子源与偶极子源对总声源的贡 献相比,完全可以忽略不计.文献[3—4]的研究都得 到了同样的结论,偶极子源是离心泵内的主要噪声 源.所谓偶极子源,就是作用于转子和静止壁面的非 定常脉动力_2].大部分水泵噪声研究的对象都是单 一 的水力噪声,但实际上,蜗壳和叶轮均属于弹性 体,弹性体振动和流体运动之间的相互作用是一个 典型的流固耦合问题.内部流动诱导的噪声通过蜗 壳的振动向外辐射,同时又是一个声振耦合问题.因 而,为得到更精确的模拟结果,也应将结构对噪声辐 射的影响考虑进来.文献[5]应用一种称为流体一结 构一声学弱耦合的模拟方法预测了5级离心泵的噪 声辐射,计算得到的结构外表面的振动结果与实验 值吻合度很高,表明这种方法具备一定的可行性.本 文的分析思路与文献E5],l似,首先应用大涡模拟求 解内部非定常流动,分析泵内的主要噪声源,同时提 供流体,固体交界面的时域压力脉动(偶极子声源信 息);之后,应用边界元方法求解声场,对比分析声振 耦合情况下与不考虑结构振动时的边界元响应,并 在声振耦合分析的基础上,求解通过结构振动传播 的偶极源噪声辐射. 1离心泵内部三维流场的数值计算 1.1计算模型 模型泵主要参数:进口外径D=95mm;叶轮 宽度b=20mm,叶轮外径D2=172mm,叶片数 Z=6,转速=2900r/min,体积流量Q=100 rn3/h,介质为水,密度P=1000kg/ma.主要通流部 分包括进口,叶轮(6个后弯叶片沿周向均布),蜗壳 及出口区域.三维整体模型如图1所示. 计算区域分为进口及延长段,叶轮旋转区域,蜗 壳及出口区域3个部分.应用Hexcore网格类型提 升网格质量,叶轮及蜗舌附近区域任意断面核心处 为六面体网格,外围为四面体网格.考虑到精确捕捉 流场的必要性,对蜗舌壁面附近节点进行了加密控 制,并在旋转叶片表面设置了边界层.网格单元总数 为942755.旋转叶轮进口和出口为动静部件交界 面.整体模型的网格划分如图2所示,右下角为叶片 尾缘附近网格的局部放大. 图1离心泵三维模型 Fig.1Geometrymodelofthecentrifugalpump 图2离心泵计算模型 Fig.2Mathematicalmodelofthecentrifugalpump 1.2计算方法 应用Fluent软件模拟泵内三维流场.进口管 道,叶轮,蜗壳均采用无滑移壁面边界条件;进口,出 口分别设置为质量流量入口和压力出口边界条件. 定常计算采用RNG一e湍流模型封闭方程,目的 在于更好地模拟旋转流动情况.近壁面取加强壁面 函数,控制方程的离散方法是基于网格单元中心的 有限体积法.对控制方程中的扩散项使用一阶精度 的中心差分格式离散,对流项使用一阶迎风格式离 散,压力与速度耦合采用SIMPLE算法,叶轮旋转区 域网格使用多参考坐标系,计算过程中各参数残差 最低收敛到l0,. 非定常计算采用LES大涡模拟,亚格子模型选 取SmagorinskyLilly模型,压力与速度耦合使用 SIMPLEC算法,存在相对运动的流体区域交界处采 用滑移网格技术.定常计算解作其初场.时间步长取 At=5.747×10,S,一个完整的叶轮旋转周期由 360个时间步组成,即1个时间步长内叶轮转过1.. 数值计算过程中设置固定观察点监测流场变化,当 流场的周期性变化稳定之后,开始输出叶片表面的 压力脉动时域信息,为后续的声学计算准备数据. 第1期谭永学,等:离心泵水动力噪声预测91 2声场的预测方法 与有限元,Kirchhoff积分法等相比_6—73,边界 元方法(BEM)是目前应用于封闭腔体内部或外部 声辐射和散射场预测中较为广泛的方法之一,这种 方法具有可将问题降维处理和计算误差较小的优 势.文献[8]应用间接边界元方法预测了风扇机壳的 噪声辐射.基于边界积分方程的数值解,声场内任意 点的物理量都可以通过求解积分方程得到.本文也 是应用边界元方法预测声场. 声场控制方程称为亥姆霍兹方程,其表达式为 VP(X,Y,2)+kP(,Y,)=0(1) 式中,P为声压;k为波数,且k=叫/c=2~f/c,其 中.厂和C分别代表频率和声速.声学问题中,通常有 3类边界条件:Dirichlet条件,Neumann条件和混合 边界条件.由于通过声振耦合计算即可得到结构表 面的法向振速,因而此处应用第二类边界条件,即Neumann条件. 结合格林函数 G(,.)=e—jk.一n./(4nl—I)(2) 得到亥姆霍兹积分方程 c()P():flp(.)+JLd" 一-._._1一 jpo.,c.(,.)V(.)ld(c(7-)(3) -J 式中,,r.分别为声场内任意点H(,Y,)和声学 边界上某点的向径;为振动圆频率;为边界元 表面;为结构表面外法向振速.C()的值取决于 点H的位置,且 f0,点H位于声学空间外部 c()={1/2,点H为边界元上的非奇异点 【l,点H位于声学空间内部 求解过程中,首先将点H置于边界上,得到边界积 分方程,应用边界元法对其进行离散,得到边界上的 声压及结构的响应,以该解作为声学边界条件,再将 点H置于水泵外部声学空间,有积分方程 p():flp(.)十Ld" 一_.一]一 jpo.,a(,.)(.)1d.Q)(4) J 将边界上的解代入式(4)即可得到外部声学空间中 任意位置处的声场分布.文中求解了以下两种情况: 巩叶片表面的非定常脉动力经过快速傅里叶变 换之后作为声学边界条件,应用声振耦合方法将其与 结构振动模态耦合计算,得到边界元上的响应解. b.忽略蜗壳振动,即假设其为全反射壁面,应用 与a相同的声学边界条件,得到边界元上新的响 应解. 3流场计算结果及非定常特性分析 当前研究只包括设计点工况.数值计算过程中固 定观察点的相对位置如图3所示.图4(a)(见下页)给 出了一个叶片周期(60个时间步长,也即叶轮转过 60.所需时间)内,蜗壳壁面处部分观察点(A,C,E, G)静压(相对于大气压)随时间脉动的情况,其中r 是从采集时刻开始,计算时间与?t的比值,为无量纲 时间.由图可知,各观察点处的静压脉动随时间变化 的趋势基本相同,沿介质流动方向,各观察点脉动幅 值依次降低.从图4(b)可以看到,蜗壳圆周上靠近蜗 舌附近的各点(A,1,2,3)脉动相对较强,其中点2处 静压脉动最强,基本上处于蜗舌与叶轮垂直距离最小 的地方,表明叶轮与蜗舌结构上的干涉是产生压力脉 动的重要原因,此外,从图中可以看到,该点处静压出 现负值区域,且极限值绝对压力低于0Pa,从理论上 讲是不真实的,原因可能在于该处存在一定的负压 区,且部分区域低于水的汽化压力,因而出现汽蚀现 象,这也将是泵内产生噪声的一个原因,但是模拟中 并未考虑汽蚀的影响.从图4(b)中还可以看出,蜗舌 顶部点3的静压脉动与其它各点的静压脉动随时间 的变化趋势不同,在蜗舌顶部静压达到最大时,其它 各点静压则几乎达到最小值. 图3监测点相对位置 Fig.3Relativepositionofthemonitorpoints 92上海理工大学2011年第33卷 (a)点A,C,E,G 图4蜗壳壁面处部分观察点时域静压脉动 Fig.4Timeseriesofstaticpressurefluctuation ofpointslocatedatvolutesurface 图5为叶轮区域内所设观察点0在一个叶轮周 期内静压随时间的变化情况,由图可以看出,在叶轮 旋转一周的过程中,该点处的静压脉动是一个由6 个小的周期脉动组成的大的脉动,与叶片数刚好相 等,位于蜗壳壁面的各观察点也呈现出同样的周期 性.这表明,叶轮的旋转引起流场的周期性变化,流 场的周期性波动带给壁面周期性的非定常脉动力, 力引起振动,而声音本质上正是振动的传播,这种非 定常脉动力激发的噪声必将具有明显的离散特性. 2 2 1 21 0 O 图5叶轮区域内观察点0处时域静压脉动 Fig.5Timeseriesofstaticpressure fluctuationofpoint0 对部分观察点(1,B,D)静压脉动进行快速傅 里叶变换,变换结果见图6.各观察点的静压脉动在 频谱图上均表现出明显的离散频谱特性,且峰值主 要对应在倍频位置上,流场结果与当前大量研究结 论一致,叶片表面非定常脉动力激发的偶极子源是 泵内的主要噪声源. 3.0 2.5 日2.0 21.5 1.0 0.5 O 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 O 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 O l2345678 f/kHz (a)观察点1 l2345678 f/kHz Co)观察点曰 f/kHz (c)观察点D 图6部分观察点频域静压脉动 Fig.6Staticpressurefluctuationofportion pointsinfrequencydomain 4声场分析 LMsVirtua1.1ab是一模拟流体噪声和流固耦 合致声的声学分析软件.由CFD计算得到的叶片表 面的偶极声源与Nastran模拟得到的结构模态一同 导人声学软件进行分析.首先计算得到前述两种情 况下的边界响应情况.基频290Hz下的声压级分布 如图7所示.通过对比可以看到,不考虑振动的情况 第1期谭永学,等:离心泵水动力噪声预测93 下,声压级的幅值可以达到193dB,均值为140dB 左右,明显高于实际值,而在耦合的工况下,幅值为 147dB,大部分区域在130dB左右,与实际情况更 符合,从理论上讲,蜗壳会通过声波的反射和散射阻 止内部水声向外传播,另外,蜗壳的振动也会耗散掉 一 部分声能.因而,结构振动对总的噪声辐射的影响 是不能忽略的. sureAmplim 679 min:921978 l93 183 173 163 153 l43 l32 l22 l12 1O2 92 (a)应用声振耦合方法考虑振动 (b)不考虑振动 图7基频290Hz下边界元上的声压级分布 Fig.7Soundpressureleveldistributiononthe boundarysurfaceatBPF290Hz 在上一步计算的基础上,再考察考虑振动的情况 下,水泵外部的噪声辐射情况.设置=0观察平面, 长宽均为1000ITI1TI,图8所示为该平面上基频及两 倍频下的声场分布.由图可见,两个频率下的声场分 布情况差别不大,但两倍频下的声压级Lp从幅值到 均值都有下降.对于固定观察点K(200,200,0),其三 阶叶频下的声压级量值见图9.为便于进一步深入分 析,考察声场的指向性分布.以X轴正向为起点,在半 径1ITI的位置绕轴负向沿逆时针旋转一周,每隔 10.布置一个点,得到全部观察点,其与蜗壳的相对位 置见图lO(a).计算得到基频及两倍频下的噪声指向 性分布.由图10(b)(见下页),叶片噪声辐射具有明显 的偶极子特性.极小值位于?90.附近,最大值位于 150.和330.附近,靠近蜗舌,表明蜗舌附近较强的压 力脉动是噪声的主要来源. (a)基频290Hz下观察面的声场分布 sureAmplitu _l7 min:76.612 140 134 l27 l21 l14 lO8 1O2 952 888 82.4 76 (b)两倍频580Hz下观察面的声场分布 图8Z=0观察面的声场分布 Fig.8Soundpressureleveldistribution onobservingplaneZ0 图9观察点K处前三阶叶频下的声压级 Fig.9SoundpressurelevelofpointK atfirstthreeBPFs 90. 270. (a)指向性观察点与蜗壳的相对位置 上海理工大学2011年第33卷 l 180. 2 Hz Hz 270. (b)基频290Hz及两倍频580Hz下的指向性分布 图10观察点的指向性分布 Fig.10Directivitydistributionofthe observationpoints 5结论 借助LMSVirtua1.1ab软件,结合非定常流动的 数值模拟对离心泵的水动力噪声进行了预测.时域 及频域的流场分析结果表明,偶极源是泵内的主要 噪声源.当应用声振耦合的方法考虑振动对噪声辐 射的影响时,蜗壳表面的声压级幅值要比不考虑振 动时低,更接近实际情况,因而考虑振动的分析方法 更合理一些.这里需要说明的几点是: a.由于时间限制,定常流场计算的精度仅为一 阶,必然会对声场预测的准确性产生一定影响;另外 结构模态计算中,假定厚度为3mm,非实际值,因 而声压级总体量级偏高. b.现仅针对叶片载荷噪声进行了分析,若要得 到更精确的结果,还应涵盖其它可能存在的噪声源, 诸如介质非定常流动引起的四极子源,汽蚀等原因 引起的噪声还在分析当中. C.文中定量结果的精确度有待相关实验的进 一 步验证,包括离心泵的水力性能,结构振动以及声 场分布等,只是提供一种分析方法. 参考文献: EliLANGTHJEMMA,OLHOFFN.Anumericalstudyof flow-.inducednoiseinatwo—dimensionalcentrifugal pump.PartI.HydrodynamicsEJ].JournalofFluids andStructures,2004,19(6):349—368. 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(责任编辑:金虹)