论文部分内容阅读
本文是在国家杰出青年基金项目“离心泵基础理论和节能关键技术研究”(50825902)和国家自然基金项目“离心泵内部非定常流动诱导振动和噪声机理研究(50979034)”的资助下展开的。随着日益严格的环境噪声标准和客户需求的提高,离心泵产生的噪声引起越来越多研究人员的兴趣。对于一个结构设计良好的离心泵来说,流动诱导噪声在其噪声等级评定中起着决定性作用。本文采用理论分析、数值模拟与试验验证相结合的方法,对基于声振耦合的离心泵流动诱导噪声数值计算进行了初步研究。主要研究工作和创新点如下:
1.在系统分析国内外关于离心泵内部流动诱导噪声研究的基础上,论文基于Lighthill方程理论,采用计算流体力学(CFD)与声学计算方法耦合求解的混合算法来进行研究。首次建立了离心泵内部噪声透射蜗壳的声学模型,推导了声透射的临界条件,并分别计算了潜水泵和陆上泵两种情况下离心泵内部噪声透射蜗壳时的声透射系数和隔声量,理论上得出声场计算时不能简单地把蜗壳当做“声学硬边界条件”处理的结论。
2.利用CFD计算软件CFX,采用有限体积法及SSTκ-ω湍流模型对包括叶轮和蜗壳在内的离心泵全流场进行三维定常数值计算。计算结果表明:0.6Qd工况下,叶轮流道内有明显的旋涡,泵最高效率点出现在1.2Qd工况下;1.4Qd工况下,扩散管内有明显的回流。性能预测的结果与试验值基本吻合,证明该湍流模型用于离心泵内部流场计算是可行的。
3.在内部流场定常计算的基础上进行了非定常流场计算,并对离心泵内部脉动压力进行了幅、频域分析。结果表明:隔舌处和叶片壁面处的压力脉动幅值最大,距离隔舌较远点处的脉动幅值较小;脉动幅值随流量先减小后增大,在Qd达到最小,偏离Qd越多,脉动值越大;叶片通过频率及其倍数是蜗壳内表面脉动压力的主要频率。
4.在流场计算的基础上,分别利用耦合声学边界元和非耦合声学边界元两种算法求解了叶片偶极子源的辐射声场,分析了声振耦合作用对离心泵声场计算的影响,耦合声学边界元法还用到了泵体模态计算的结果。结果表明:声振耦合作用对声场的指向性影响不大,声场呈现的偶极子特性基本不变;声振耦合作用对声压级大小的影响不能忽略,泵体振型所在频率(580Hz)声振耦合作用的影响最明显。
5.基于声振耦合作用分别计算了以叶片和蜗壳偶极子为声源的辐射声场,得到了离心泵进、出口场点声压级频率响应曲线。提出离心泵进、出口场点声压级计算方法,并搭建了离心泵流动诱导噪声试验台进行验证。结果表明:设计流量附近,本文采用的用叶片和蜗壳内表面偶极子声源进行声压级叠加计算的结果与试验值切合得较好;偏离设计流量较多时,由于离心泵内不稳定流动现象加剧,离心泵内主要声源可能发生了变化,本文采用的偶极子源声学计算方法将不能准确反映离心泵内部声场。