高转速叶轮油泵系统非稳态流体噪声预测与控制研究

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在设计阶段融入涡流燃油泵系统的低辐射噪声设计,开展油泵油箱系统的振声优化,是从根本上提高油泵的振声性能、缩短产品研发周期的必要途径。本文研究工作即是在此背景下,围绕涡流燃油泵系统声辐射预测模型建立的方法及具体优化设计研究展开的。具体内容如下:研究了油箱油泵系统流体诱导噪声的数值模拟方法。以某车用油箱油泵系统为例,开展了振动噪声试验测试,对噪声源进行了定位分析,基于计算流体动力学理论和声学理论,应用有限元法完成对油箱油泵系统流体诱导噪声的外声场声压级、声功率级等声学特性的评估和计算。针对涡流燃油泵内部流体的CFD仿真研究,计算模型得到了油泵性能试验数据的验证,研究了压力在时间及空间域的分布规律;并进行了不同工况的仿真分析,得到了扬程以及效率随流量变化的规律;通过CFD计算,得到了油泵壁面的压力脉动数据,为进一步进行的流体噪声仿真分析提供了激励源。针对油泵油箱系统的流体噪声声辐射研究,综合利用CFD、CA和FEM/AML技术进行协同仿真,建立了振声耦合的声学有限元分析模型,通过与声辐射测试结果的比较,验证了所建立模型的准确性和可行性,最终形成了流体诱导噪声仿真分析的一般流程和方法,适用于油箱油泵系统在研发阶段或者产品阶段的振声预估与控制。对油箱油泵系统声辐射优化方法进行了研究,分析了油泵单体的不同参数对于系统声辐射的影响,如转速、叶片数、叶片角度及叶片厚度等,不同方案的结果表明,叶片数对声辐射的影响较大,在保证油泵外特性满足设计要求时,可以适当增加或减少叶片数,以降低油泵的流体的BPF噪声;理论分析了非等距叶片对声辐射的影响,并设计了非等距叶片叶轮,打乱了原来等距叶片导致的高阶谐次频率,使得振动以及噪声响应的各成分的波峰或波谷相互错开叠加,从而使叠加后的峰值和谷值降低,达到降低压力脉动和噪声的效果,合理设计非等距叶片的夹角分布,可以有效降低辐射噪声水平;研究了进油口结构修改方案对噪声的影响,进油口通道比较平滑的修改方案使得油箱油泵系统高频辐射噪声水平得到了很大的降低。综合考虑各参数对油泵流体BPF噪声的影响比重,同时考虑各方案可实现性的难易程度,最终选取进油端盖修改方案,进行试验验证,对油泵进油口进行修改并生产了油泵总成样件,对样件进行了声辐射测试,测试结果表明BPF噪声得到了有效抑制。研究了油泵声源的等效数学模型的建立方法。理论分析了油泵声源识别的基本原理,给出了声源识别的求解方程,对该声源模型的数学验证,表明声源识别模型是有效的。通过对油泵单体声辐射的噪声测试,利用参数识别模型得到了简化模型的关键参数,建立油泵单体的声学有限元模型并进行了声辐射仿真,计算结果和单体声辐射结果的对比,验证了模型的有效性。基于油泵单体声源数学模型,建立油箱油泵系统的声辐射有限元模型,利用自动匹配层(AML)及声振耦合技术计算了测点处的声压结果,并与试验测试结果对比,表明了仿真结果与测试结果吻合较好,尤其是在关键谐次频率处的预测很准确。为建立系统、全面的油箱油泵系统振动噪声特性指标的Benchmarking数据积累,为产品设计研发和优化改进阶段提供丰富的数据支持,研究了油箱油泵系统振动噪声特性Benchmarking的一般步骤,分析了数值仿真和试验测量技术在油箱油泵系统Benchmarking过程中的应用,以及油箱油泵系统振动噪声特性指标的决策矩阵评价方法,初步建立了基于决策矩阵法的油箱油泵系统振动噪声指标的评价流程,该流程可用于油箱油泵系统产品设计阶段针对振动噪声性能指标的Benchmarking。
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