基于无限元法的离心泵空化辐射噪声指向性研究.pdf

第 卷第 期 年 月 山 东 建 筑 大 学 学 报 .收稿日期:基金项目:山东省自然科学基金项目()流体及动力机械教育部重点实验室开放基金项目()山东省高等学校青创人才引育计划项目()山东建筑大学博士科研基金项目()作者简介:葛秉鑫()男在读硕士主要从事水力空化等方面的研究:.通讯作者*:张林华()男教授博士主要从事建筑节能等方面的研究:.:./.基于无限元法的离心泵空化辐射噪声指向性研究葛秉鑫张林华*宋守杰张惟斌宋永兴(.山东建筑大学 热能工程学院山东 济南 .流体及动力机械教育部重点实验室(西华大学)四川成都)摘要:为研究离心泵运行时产生的辐射噪声特性运用 湍流模型和()空化模型计算离心泵内部瞬态流场利用 声类比理论提取离心泵流场数据中的体声源和面声源采用有限元与无限元相结合的声振耦合办法研究离心泵的辐射噪声 结果表明:离心泵运行时产生的辐射噪声主要分布在低频率范围且随着频率的增大噪声不断降低离心泵辐射噪声声压级在不同的频段具有不同的指向性在轴频()到 倍叶频()频段内离心泵的指向性分布较为均匀在 频段内离心泵的指向性表现出偶极子分布在 频段内离心泵的指向性表现出四极子分布关键词:离心泵空化辐射噪声指向性分布数值模拟中图分类号:文献标识码:文章编号:()(.():().()().:山 东 建 筑 大 学 学 报 年 引言离心泵作为能量转换和流体输送的重要机械设备不仅普遍应用于农业灌溉、石油化工、水利工程等领域还在远洋船舶、潜艇作业、航空航天等前沿科技领域发挥着至关重要的作用 然而由于离心泵内部流场构造复杂在运行过程中往往伴随着剧烈的振动和噪声离心泵产生的噪声通常通过蜗壳向外辐射或通过所连接管道中的介质向上、下传播 其噪声主要分为机械结构振动噪声和流体流动噪声 振动噪声往往是由各个部件存在制造公差和旋转部件不对中引起的机械结构振动导致的 随着加工精度的不断提升离心泵的机械振动引起的噪声问题可以很好地解决而流体流动诱发的噪声已逐渐成为离心泵噪声声源的主要类型 流体流动产生噪声的主要原因有湍流、流动分离、内部空化、水锤以及流固耦合等 随着更高速、大功率离心泵的发展噪声问题变得越来越严重 因此研究离心泵流动产生的辐射噪声特性具有重要的实际应用价值 等指出离心泵噪声主要是流体流动引起的并认为采用流体压力脉动的频谱分析方法可以更好地分析离心泵辐射噪声 等运用流固耦合的边界元方法模拟并分析了多级离心泵流体流动诱导的结构振动与噪声谈明高等运用声振耦合方法研究了叶片数量对离心泵蜗壳所产生的辐射噪声的影响董沛鑫等利用声学边界元方法研究了以离心泵蜗壳为主要声源的辐射噪声与叶轮转速之间的响应关系 郭荣等应用高阶 曲线法控制叶片型线分析了不同叶片型线对离心泵辐射噪声的影响张俊杰等利用振动特性实验法测试了离心泵在正常运转时的振动和噪声分析了离心泵辐射噪声的起因和改善措施程效锐等运用 声类比理论研究了叶片尾缘上不同的开缝位置和宽度对离心泵辐射噪声的影响李仁年等运用边界元方法模拟并分析了蜗壳隔舌在不同时序位置时离心泵辐射噪声的变化规律综上所述运用边界元方法针对离心泵流动诱导噪声的影响因素做了很多研究但未见采用声学无限元法对离心泵空化时外声场辐射噪声的指向性分布进行深入分析的研究 文章以 湍流模型、()空化模型数值模拟了离心泵的流场利用 声类比理论提取离心泵基于体积和基于表面的空气动力源项采用声学有限元、无限元相结合的声振耦合方法求解并分析离心泵外声场辐射噪声的指向性分布 数值模型理论.湍流模型在离心泵内部流场的瞬态计算中湍流模型采用 模型与标准 湍流模型相比较更加适用于离心泵内部的旋转流动湍流动能方程(方程)、能量耗散率方程(方程)分别由式()和()表示为()()()()()()式中 为密度/为湍动能/为流体速度/为湍流脉动速率、为固定常数 和 分别为 方程和 方程的湍流普朗特数为层流速度梯度产生的湍动能/为浮力产生的湍动能/为紊流扩散波动 为湍流速度/为动力黏度/为湍流动力黏度/为扩散率.空化模型通过 空化模型计算空泡的产生和溃灭考虑非冷凝性气体和湍流脉动的影响假设空泡半径相同当瞬时静压 小于饱和蒸气压 时气泡膨胀的相变率 由式()表示为 ()()()当 时气泡压缩和破裂的相变率 由式()表示为 ()()式中、分别为蒸发和凝结经验系数取、.为成核点体积分数 为蒸汽体积分数、分别为流场密度、蒸气密度/为 第 期 葛秉鑫等:基于无限元法的离心泵空化辐射噪声指向性研究 空泡半径.声类比理论声类比理论和 方程是研究离心泵等旋转机械辐射噪声特性的基础也是现代气动声学的起源 结合连续方程和动量方程声学波动方程可以由式()表示为 ()由式()和纳维斯托克斯()方程可以推导出 声类比理论方程由式()表示为()式中 为绝热时的声速/为密度分量、分别为有声波和无声波的密度/为 应力张量 式()的左侧是声学的波动方程右侧是流体动力学引起的相互作用力是声源项其中 由式()表示为 ()()()式中 表示雷诺应力、分别为湍流正应力和湍流切应力为黏性应力张量 /和 分 别 为 有、无 声 波 时 的 压 力 ()()表示热传导当 时 当 时 在低速的绝热流动中 远远小于 可以忽略不计又因为过程绝热所以有 ()()由此可以推导出 应力张量的近似方程.声学无限元法声学无限元法是一种利用声波在声源近场的分布来推算声源远场噪声声压的方法用以模拟声源的自由声场辐射 其原理是在声源外部创建一个完全包裹声源的无反射边界面声波可以通过无反射边界而不会发生反射在边界内部为有限元计算域以边界面网格为基底的外部为无限元计算域由于无限元的基底是二维的面网格且其所需要求解的方程矩阵是对称的稀疏矩阵因此在求解运用边界元方法难以处理的大型复杂结构以及高频段声学计算问题时运用无限元法求解速度更快且精度更高声学无限元法是基于 声类比理论结合理论进行的声场模拟()用理论中的体积分计算体声源()用 理论中的面积分计算面声源()自由声扩散的 函数作为声源计算的边界条件对式()在边界 上进行积分引入测试函数 并在面积分上应用 可推导出式()为()()()()式中、分别为当地密度和环境密度/为有限元计算域的单位体积分 为有限元表面 为 表 面的法向分量 为 表面的总位移量 ()可以计算出面声源 项可以计算出体声源计算声源远场声压的公式是一个多阶次式远场声压的强弱受声场在计算域中的位置及插值阶次影响远场声压 ()计算由式()表示为 ()()式中 为有无反射边界对监测点声压的 阶贡献量 为监测点和无反射边界之间的距离插值的阶次可以用来估算无反射边界上节点的数目节点数目越多对于远场声压的计算越精准但计算量也随之增大 计算参数及边界条件.结构参数及网格划分运用 软件设计并抽取离心泵流体域整个离心泵的计算域分为进口段、叶轮、蜗壳等 部分三维模型如图 所示离心泵设计参数:叶片数为 叶轮转速为 /叶轮出口宽度为 叶 轮 进 口 直 径 为 设 计 流 量 为./扬程为 对于抽取的离心泵流体域进行非结构网格划分为了减小由于网格数量所导致的误差在进行声辐射计算前进行了网格独立性验证计算了 组不同网格数量时的扬程值结果见表 考虑到计算机的算力和计算精度最终选取方案 其流场网格如图()所示 在声学模拟软件中对流场计算数据进行提取及转换映射得到离心泵的外包络面即声学网格网格数量为 如图()所示 山 东 建 筑 大 学 学 报 年图 离心泵流体域三维模型示意图表 网格独立性验证结果方案网格数设计扬程/模拟扬程/相对误差/.图 离心泵流场网格和声学网格示意图.流场计算参数在流体模拟计算设置中动静部件间使用瞬态交界面(/)进行数据交换设置叶轮为旋转区域湍流模型采用 模型空化模型采用 模型 进口处设置为速度进口其值为./壁面温度为恒温 出口处设置为自由压力出口时间步长 设为.(叶轮每转动)迭代次数为 次当流场表现出显著的周期性且周期性变化达到稳定之后提取最后 个旋转周期的数据进行声场计算.声振耦合计算利用 声类比理论对流场计算的结果分别进行面声源和体声源的提取 面声源主要包括离心泵表面振荡诱导噪声对应着偶极子声源体声源主要包括自由湍流诱导噪声对应着四极子声源采用傅里叶()变换将从离心泵流场计算中提取的时域数据转换为频域脉动信号并将其插值到整个离心泵的外壁表面上即声学网格上作为声振耦合面 在离心泵声学网格外 处创建完全包裹离心泵的无反射边界面无反射边界内为有限元计算域用以计算模拟近声场无反射边界外为无限元计算域进行自由声场辐射用以模拟远场声辐射如图 所示图 有限元与无限元计算模型示意图 结果及分析.流场计算结果分析在流场表现出显著的周期性且周期性变化达到稳定之后提取第 个旋转周期的数据进行分析此旋转周期内离心泵内部的空化分布以及蜗壳隔舌区域的空化分布如图 所示 可以看到空化主要集中在转动到左侧的 个叶片的前缘以及当叶片尾缘掠过蜗壳隔舌区域时的隔舌尖角处 主要是因为隔舌区域设计的过于尖锐叶片与隔舌之间空隙狭窄随着叶片转动从叶片掠过隔舌时空泡开始初生在随后的转动中叶片前缘的空泡不断生长直至溃灭离心泵在该旋转周期内的压力分布云图如图 所示 在隔舌夹角下侧的压力最大左侧叶片的吸力面前缘压力最小各个流道内压力分布呈现明显的差异性隔舌右侧叶片吸力面的压力小于左侧叶片 这是因为所设计的离心泵较小叶片与蜗壳间的距离太过狭窄尤其是蜗壳隔舌区域导致各个流道内流动不均匀 第 期 葛秉鑫等:基于无限元法的离心泵空化辐射噪声指向性研究 图 叶片每转动 时截面空泡分布图 压力分布云图.辐射声功率计算结果分析以离心泵流场计算结果映射得到的结构振动响应作为声学边界条件计算基于声振耦合办法的离心泵辐射噪声 流场计算得到的时域数据经过 变换其计算频率范围为 和 而频率分辨率 频谱计权方式采用 计权声级 为了计算离心泵的辐射声功率谱在离心泵外建立了符合标准:的场点网格在运用无限元法进行远场噪声计算时将计算结果输出到场点网格上如图 所示离心泵的轴频()为 叶频()为 倍的 即 离心泵辐射声功率谱如图 所示可以看出离心泵的声辐射功率在轴频、叶频及其谐频处均呈现出一定的峰值声功率谱随着频率的增大整体呈下降的趋向 频段是整个计算频率范围内声功率最大的频段且离心泵在轴频 处达到最大值 这是因为所设计的离心泵流道较为狭窄流体在流道内流动时具有一定的差异导致在离心泵运行中轴频是流动诱导噪声的主要频率 声功率峰值不仅出现在、及其倍频也出现在一些其他频率如、倍 等在这些频率处也出现峰值这可能是因为离心泵内空化初生、溃灭所造成的宽带噪声被轴频及其谐频所调制导致部分特定高频声压级显著提高 在 频段声辐射功率相较于其他频段更加的无规律这是由于叶轮和蜗壳之间复杂干涉作用导致内部流场较为紊乱图 场点布置图图 离心泵辐射声功率谱.辐射噪声声压分布分析为了获得离心泵辐射噪声声压级分布图以离心泵的叶轮中心为圆心在 和 截面分别创建一个半径为 的圆形面网格作为声压级检测区域在运用无限元法求解离心泵外声场时将计算结果映射到面网格上其具体布置如图 所示图 离心泵外部声压检测区域布置离心泵在、时在 和 处的声压级分布分别如图、所示 从整体上看距离离心泵中心越远声压强度越小且随着频率的增高而不断降低 在叶轮周围声压分布中叶轮左侧区域强于右侧区域上侧区域强于下侧区域前侧区域强于后侧区域其中蜗壳隔舌区域噪声最为剧烈 从图()和图()中可以看出在 时辐 山 东 建 筑 大 学 学 报 年射声场检测区域声压整体最强整体约处于 这是因为所设计的离心泵流道较为狭窄流体在流道内流动时具有一定的差异导致在离心泵运行中轴频是流动诱导噪声的主要频率 且在图()中可以看到叶轮前侧区域声压强度明显大于后侧区域以及 剖面这是因为离心泵的进口段与叶轮的交界面位于前侧区域流体流入进口段叶轮与进口段之间动静交界之间产生了大量低频噪声 从图()和图()中可以看出在 时噪声主要集中在叶轮周围随着叶轮转动噪声不断向外辐射其中又以叶轮的左侧区域、上侧区域以及蜗壳隔舌区域噪声最为强烈 这是因为蜗壳隔舌太过尖锐每当叶片掠过隔舌尖角流场内产生了与该频率相关的涡旋且在隔舌区域产生振荡也诱发了噪声随着叶片带着涡旋继续向下转动由于蜗壳内壁面平滑涡旋随着转动逐渐变小直至消散造成了从蜗壳隔舌处开始噪声沿着蜗壳逆时针方向逐渐减小的现象 从图()和图()中可以看出在 时离心泵诱导的声压强度降低辐射阶次较为均匀只有蜗壳隔舌区域噪声略大于周围这说明叶片掠过隔舌时产生的振荡所造成的噪声仍然存在而产生的涡旋因为与该频率相关性低所以噪声在离心泵周围呈现出均匀扩散的现象图 、处 截面场点声压分布图图 、处 截面场点声压分布图.辐射噪声指向性分析声波是球面波所以声音在空气中传播有明显方向性 在相对于声源的不同空间位置上其声压级随着位置的不同而改变 为了更精确的监测离心泵辐射噪声的指向性分布设离心泵的叶轮中心 点为圆心在距叶轮中心 的圆周上共设置 个场点在运用无限元法求解离心泵外声场时将计算结果映射到各场点上 定义水平向上为极坐标中的 沿顺时针方向为正方向每个场点之间夹角为 如图 所示图 离心泵外部指向性场点布置图 第 期 葛秉鑫等:基于无限元法的离心泵空化辐射噪声指向性研究 轴频、叶频及部分谐频下离心泵指向性声压分布如图 所示 从整体上看随着频率不断增大离心泵各个方向的声压强度呈现降低的趋向 在不同的频带范围内离心泵的辐射噪声具有不同的指向性分布 这说明离心泵运行时产生的辐射噪声主要为低频噪声图 轴频、叶频及部分谐频下离心泵指向性声压分布图 由图()可知在、时离心泵的指向性分布较为均匀泵的 上侧区域略大于 下侧区域 左侧区域略大于 右侧区域 这说明在低频时离心泵周向声压强度相对高频较大且无明显的指向性由图()和()可知在 时离心泵周向的声压分布也较为均匀最大、最小指向性分布分别出现在 和 在 时 上侧区域明显大于 下侧区域在 时离心泵辐射噪声的指向性分布初具一定的偶极子分布在 区域声压级最大在 区域声压级最小此时声压指向性从均匀分布向偶极子分布转变 由图 可知在 时其指向性的偶极子分布更加明显在区域声压级最大在 区域声压级最小这说明 至 的频段内离心泵的指向性分布主要受离心泵非定常流动诱导的叶轮叶片表面、蜗壳壁面振荡产生的偶极子声源影响导致离心泵的指向性开始呈现出偶极性且正对蜗壳隔舌区域噪声最为剧烈由图()可知在 时离心泵辐射噪声的指向性分布初显一定的四极子分布、区域声压级明显大于、区域 在 时其指向性的四极子分布更加明显、区域声压级明显大于、区域且 和 方向的声压级强于 和 方向的声压级 这说明在 至 的频段内离心泵的指向性分布主要受离心泵运行时其内部的动量通量脉动(雷诺应力)诱导的四极子声源影响 其中正对隔舌区域的噪声最为强烈这是因为当叶片尾缘掠过隔舌时产生了空化现象四极子声源在空泡溃灭带来的高速微射流与蜗壳壁面的干涉过程中发生了散射从离心泵内部通过蜗壳壁面传递到外声场中 结论基于声学无限元方法计算了离心泵的辐射噪声分析了其声功率谱、声压分布云图以及指向性分 山 东 建 筑 大 学 学 报 年布图主要结论如下:()利用 声类比理论提取离心泵运行时基于体积和基于表面的空气动力源通过声学有限元、无限元相结合的声振耦合方法求解离心泵辐射噪声可行()离心泵运行时产生的辐射噪声主要分布在低频率范围其辐射声压级在轴频 时达到最大值为 随后声压级强度随着频率的增大而降低()离心泵辐射噪声声压级分布在不同的频段具有不同的指向性在 频段内离心泵的指向性分布较为均匀在 频段内离心泵的指向性分布呈现偶极子分布主要受叶片和蜗壳隔舌振荡影响且正对蜗壳隔舌区域的噪声最为剧烈在 频段内离心泵的指向性分布呈现四极子分布主要受到隔舌区域空泡溃灭带来的高速微射流与蜗壳壁面干涉作用影响参考文献:卢加兴.离心泵空化诱导非定常动力特性及其机理研究.镇江:江苏大学.:.():.蒋爱华张志谊章艺等.离心泵噪声研究的综述和展望.振动与冲击():.:.():.谈明高陆友东吴泽瑾等.叶片数对离心泵振动噪声性能的影响.农业工程学报():.董沛鑫高明管洪军等.变转速工况下离心泵蜗壳辐射噪声变化规律的数值研究.振动与冲击():.郭荣李仁年张人会等.叶片型线影响射流离心泵水力及旋转噪声特性分析.振动与冲击():.张俊杰武淑琴王仪明等.离心泵的噪声与振动测试研究.北京印刷学院学报():.程效锐王鹏张爱民等.离心泵叶片缝隙对声场特性影响的研究.声学技术():.李仁年田丕龙韩伟等.时序效应对导叶式离心泵水力特性与流致噪声的影响.甘肃科学学报():.():.:.蔡军淮秀兰刘斌.液体空化技术应用.北京:科学出版社.宋永兴柴怡王嘉麒等.文丘里管空化反应器的空化特性研究.山东建筑大学学报():.():.郎涛刘玉涛陈刻强等.离心泵水动力噪声研究综述.排灌机械工程学报():.潘晓岩.基于有限元无限元法的高速铁路全封闭式声屏障降噪效果研究.中国铁路():.():.张浩陈为花包晓琳等.螺旋管内幂律流体流动换热数值模拟.山东建筑大学学报():.:.:.(学科责编:朱志鹍)