基于CFD_CA声比拟分析...离心泵流动诱导噪声数值模拟_李晨阳.pdf

2023 年第 2 期基于 CFD/CA 声比拟分析的两级离心泵流动诱导噪声数值模拟*李晨阳1柴立平1朱利凯2(1 合肥工业大学 机械工程学院，合肥230009;2 中科院合肥智能机械研究所，合肥230031)摘要:针对两级离心泵的流体诱发噪声产生的复杂机理，基于 Lighthill 声比拟理论，采用了计算流体力学(CFD)与计算声学(CA)结合的数值模拟分析方法，研究了两级离心泵变工况下的流场特性及诱发的辐射噪声。采用 SST k-模型计算分析了不同工况下两级离心泵内部非稳态流场及关键区域压力脉动特性，进而采用声学有限元法(AFEM)计算离心泵内场辐射噪声的声压级变化。研究结果表明，两级离心泵压力脉动幅值从吸水室进口到叶轮出口逐渐增大，叶轮出口处的压力脉动强度最大、声压级最高，且不同工况下压力脉动的主频保持为叶频及其倍频，叶轮和蜗壳之间的动静干涉是流动诱导噪声产生的主要原因;总体声压级在低流量工况下较高，随流量增大逐渐减小，在设计工况处最小;越接近压力脉动主频，声压级的分布越离散，宽频特性越明显，压力脉动强度为流动诱导噪声产生的主要影响因素。研究结果对两级离心泵的低噪设计和水力性能改善提供理论依据和参考。关键词:两级离心泵Lighthill 声比拟流动诱导噪声有限元法(AFEM)中图分类号:TH311文献标识码:A*基金项目:安徽高校协同创新项目(GXXT 2019 004);海洋微塑料原位检测关键技术研究(YZJJ202203 CX)离心泵是通过叶片旋转驱动流体的机械，广泛应用于工业、农业和航空航天等国民经济各部门1。然而离心泵运行中的噪声，容易在传播中引发结构共振，造成泵偏离最佳效率工况点，降低了系统运行效率，增加了能耗;同时产生的噪声成为环境污染源之一，严重影响人的身心健康。对于结构设计良好、运行稳定的离心泵而言，离心泵运行噪声中机械噪声占比较小，流动诱导噪声2 4 在噪声总水平中占比较大。两级离心泵因其流量大、扬程高的特点逐渐被一些大型高扬程供水场合采用，而其运行时的流动诱导噪声会随管道传播，造成系统运行不稳定，影响系统运行效率。因此，对两级离心泵内部流动诱导噪声的研究在改善泵性能方面具有重要的意义。国内外学者对于泵的压力脉动和流动诱导噪声已有一定的研究成果，数值模拟是重要的技术手段。目前对于泵的内外场声学计算主要为边界元法(BEM)和有限元法(FEM)5。Lighthill 声比拟理论6 的创立标志着流体动力学噪声概念的诞生。TSAI 等7 对物体的内部流质噪声问题进行了研究，推导出了广义 Lighthill 方程。LIU Hou-lin 等8 采用CFD 结合 Lighthill 声类比方法，应用直接边界元法计算偶极子源辐射的噪声，结果表明声压级随着流速的增加而增加。司乔瑞等9 分别使用声学边界元法和声学有限元法对离心泵流动诱导噪声进行求解，发现声学有限元法对内流场宽频噪声问题的研究更占优势。张德胜等10 对泵内部的压力脉动特性及不稳定流动进行研究，将非定常计算数据作为声源导出，采用 BE 法开展了一系列的内声场及外声场声振耦合计算。丁剑等11 采用 LMS Virtu-al.Lab 实现了离心泵 FEM/BEM 法的声振耦合计算，计算了非定常流动引起的离心泵内部噪声，并与试验数据对比，验证了其方法的可行性。王镇宇等12 采用 CFD 结合声振耦合的方法对离心泵的外部声场进行数值预测，验证了外场噪声辐射是泵内流体压力脉动与壳体结构模态综合作用的结果。刘厚林等13 基于声振耦合的方法计算了多级离心泵的外部声场，与试验结果对比，验证了数值分析方法的有效性。目前对于泵内部流动诱导噪声的研究主要集中722023 年第 2 期于单级离心泵14，而对两级离心泵噪声特性的研究很少。为此本文运用 CFD/CA 结合的方法对两级离心泵进行了流场计算和内部声场分析，主要分析了不同工况下离心泵内部压力脉动特性与内部声场辐射噪声的声压级变化规律，为两级离心泵的低噪设计和水力性能改善提供了重要参考。1计算模型与方法1.1离心泵设计参数本文所计算的离心泵模型为两级离心泵，主要设计参数为:流量 Q=287 m3/h、扬程 H=270 m、转速 n=2950 r/min。两级离心泵主要过流部件有螺旋形吸水室、首级双吸叶轮、次级单吸叶轮、首级与次级蜗壳、空间管路及前后泵腔。离心泵三维模型使用 POE 建立，得到的水体计算域三维图如图 1 所示。该计算域由吸水室、首级双吸叶轮、次级单吸叶轮、首级与次级蜗壳、空间管路及前后泵腔组成。使用 ANSYS ICEM 网格软件对建立的流场水体模型进行网格划分。将模型离心泵三维造型导入软件中进行网格划分，模型泵各计算区域网格采用非结构化网格，非结构网格由于消除了结构网格中节点的结构性限制，灵活性强，能较好地处理边界问题，网格如图 2 所示。两级离心泵在网格数大于 865 万时，泵扬程和效率波动都不大，呈现出较为稳定的状态，其流场也较稳定。因此两级离心泵选用网格数为 866 万左右，各过流部件网格数分别为:首级叶轮与次级叶轮网格数共 196 万，吸水室 155 万，首级蜗壳与次级蜗壳分别为 185 万、230 万，前后泵腔共100 万。图 1两级离心泵计算模型图 2两级离心泵各过流部件网格1.2计算理论在流动声学问题中，流场和声场是统一的。非定常状态下，描述离心泵内部流场的基本控制方程组为 N S 方程。流致噪声理论是声学基本方程的发展，流致噪声的基本方程(Lighthill 方程)是Lighthill 在 N S 方程上没有经过任何假设和简化推导出的，他把水动力项作为声源项放在一侧，其形式正好与经典声学的波动方程形式相同。Light-hill 方程为:2c20t2()2=Tij(1)式中，Tij=uiuj ij+ij(P P0)c20(20)为莱特希尔湍流应力张量，第一项是雷诺应力，第二项为粘性应力，第三项为热传导的影响。FW H 声波波动方程是在 Lighthill 方程的基础上经过 Farassat、FfowsWilliams、Hawkings 等人的发展，得到现在看到的 FW H 声波波动方程:2c20t2()2=Tij(2)1c2pt2 2p=2xixj TijH(f)xi Pijnj+ui(un vn)(f)+t 0vn+(un vn)(f)(3)在公式(3)等号右边的三项分别代表着单极子声源项、偶极子声源项以及四极子声源项。本项目研究介质为原油/水，即不可压缩流体，故单极子声源影响较小;四极子声源强度与偶极子声源相比可忽略;而当离心泵处于高水力效率下运行时，偶极子声源尤为明显，所以在声场分析中主要计算偶极子源为声源项的声场分布。2数值计算在 CFD 中，Fluent 是常用的流动计算软件，可以对不可压缩流体、可压缩流体进行模拟计算。计算时首先得到稳态流场的计算结构，然后在此基822023 年第 2 期础上实现对非稳态流场的数值模拟，求解离心泵的压力场分布、速度场分布、压力脉动，再进行离心泵噪声分析。采用 CFD 对离心泵内部流场进行数值模拟的准确性取决于合理的边界条件。离心泵稳定运行时偶极子声源是主要声源，并且分布在结构表面，使用 SST k 模型可较好地模拟旋转流动中的高应变率，适合泵内的流动状态。假设边界条件设为不可压缩，壁面为无滑移，壁面函数设置为标准壁面函数。数值计算精度设置为 105。进、出口边界条件分别设置为进口总压以及自由出流。采用SIMPLIC 算法求解压力速度耦合方程，压力离散采用 PESTO 格式。图 3(a)为多级离心泵吸水室速度与压力分布。由速度云图可知，不同流量工况时，吸水室速度分布趋势相同，在螺旋段壁面附近呈现低速区，在隔舌附近出现低速区，在吸水室出口上半段呈现出局部高速区。由压力云图可知，不同流量工况时，在吸水室螺旋段壁面附近出现局部高压，这导致了此部位压力脉动幅值较大，而吸水室出口上半段出现图 3不同流量工况时离心泵内速度与压力分布局部低压部位，且其低压随着流量增加而降低。图 3(b)为首级叶轮与蜗壳内速度分布。各流量工况时，叶轮叶片尾缘速度梯度变化较大，尤其靠近吸力面处，产生此现象可能的原因在于叶片尾缘射流 尾迹流影响。蜗壳进口处速度梯度变化较大，尤其在蜗壳隔舌附近，表明上述区域因速度导致的水力损失可能较大。次级蜗壳与首级蜗壳的压力、速度分布规律基本相同，因此不再叙述。从对声场求解的角度来看，离心泵内流场的压力脉动包含了诸多流动信息，诸如动静干涉、回流、涡流等诸多因素相互作用的外在动态反映15。本文采用 CFD 进行流场仿真分析，流体激励泵体振动本质是流体脉动力作用于结构所产生的振动，因此需要设定合适的监测点来分析流体激励的特性规律，由于吸水室和首级蜗壳受到的脉冲激励最大，所以在它们的各个断面位置以及隔舌位置设置压力脉动监测点，获取蜗壳内压力脉动情况。18 号监测点均布在吸水室内，16 25 号监测点布置在首级叶轮与蜗壳中。监测点的设置如图 4 所示。非定常计算时，设叶轮转过 3的时间为一个时间步长，即t=0.00033467 s。每个周期为 120步，共计算 10 个周期，取最后一个周期进行压力脉动与声场分析。定义在进行分析时，运用无量纲压力系数进行描述。表达式为:Cp=Pi PavePave(4)式中，Pi为任意时刻监测点的压力数值;Pave为该监测点在所取的两个转动周期内的压力数值平均值。图 5 为 1.0Q 流量工况时，吸水室监测点 P5、P6、P7 和首级叶轮与蜗壳监测点 P13、P17、P19的压力脉动时域分布。由图 5(a)所示，吸水室 3个监测点处于出口附近，因动静干涉作用影响，各流量工况下，压力脉动呈现周期性波动，即五波峰图 4压力脉动监测点设置示意图922023 年第 2 期图 5离心泵内部压力脉动时域特性与波谷，随着流量增加，其脉动波峰与波谷值逐渐降低。而在出口处上半段的监测点 P5 处压力脉动幅值在一个周期内明显高于其他点，其原因在于这点动静干涉作用较强，这也与其速度分布云图中的局部高速区吻合。由图 5(b)所示，3 个监测点分布在接近首级叶轮出口及沿蜗壳流道中，在设计工况下，接近叶轮出口 P19 处压力脉动幅值最大，主要原因是由于P19 位于叶轮出口和蜗壳进口的交界面处，此处的强动静干涉作用会使压力脉动幅值升高，而沿蜗壳流道向中间管路的监测点 P17、P13 处干涉逐渐减弱，压力脉动幅值则快速衰减。图 6(a)为不同流量工况时，吸水室监测点 P5压力脉动频域分布。由监测点 P5 的频域分布可知，各流量工况在叶频及其谐频下都存在振幅，峰值主要集中在 1000 Hz 以下的低频区，其中叶频振幅最大，且随着流量变大，幅值在设计工况下有所衰减，之后趋于稳定。而且该监测点处幅值变化较为频繁，说明在标准工况下吸水室出口处的动静干涉作用较强，这会导致叶轮进口处的流体运动更加复杂，压力脉动更加紊乱。图 6(b)为不同流量工况时，首级叶轮出口处图 6不同工况下离心泵内部压力脉动频域特性监测点 P19 的压力脉动频域分布。从图中可以发现，点 P19 在叶频处的压力脉动幅值随流量增大而减小，在 0.8Q 流量下幅值最大，之后逐渐减小，峰值集中在 1000 Hz 以下的低频区，并且其倍频衰减速度明显高于进口处。综合图 5、图 6，发现离心泵叶轮出口处压力脉动幅值较吸水室增大了一个量级，且主要集中在叶频及其倍频处，多处于低频段，这说明叶片的旋转对压力脉动产生重要的增强作用。次级叶轮处压力脉动分布规律与首级叶轮相近，但幅值较小。3声场分析结果离心泵声场分析采用 AFEM(声学有限元法)，它结合 CFD 软件与计算声学软件，分别进行流场分析与声场分析，将 CFD 计算得到的流场结果加载在声学网格上作为噪声源，本文使用计算声学软件 LMS Virtual.Lab，计算基于 Lighthill 声比拟理论，在 CFD 中将流场计算结果作为噪声源加载到LMS Virtual.Lab 中，如图 7 所示。为进行声场计算，需要结合流场计算结果，将流场非定常计算结果输出作为声场计算的边界条032023 年第 2 期件，进行内部流动诱导噪声的声场计算。根据计算流程，需要构建声学有限元网格(见图8)，边界条件参照流场计算条件，模型网格数为 1310639，节点数为 4120164，定义为全吸声属性，其余表面假设为全反射壁面，特性声阻抗 Z=c=1.5 106kg/(m2 s)，声速 1500 m/s。通过对泵体声压级云图(见图9)进行分析，可以发现0.8Q 工况的声压级水平最小，1.0Q 工况和1.2Q 工况声压级水平逐步增高。三种工况下泵体声压级分布规律大致相同，叶轮流道与蜗壳处的声压级最大，而吸水室与叶片附近声压级最小，这与压力脉动的分布相吻合。0.8Q 工况的中间管道声压级较小，而 1.2Q 工况时中间管道声压级出现明显增大，说明随着流量增大，泵内流体稳定性随之下降，流体运动更加复杂。为了充分了解两级离心泵的流动诱导噪声的辐射水平，分析噪声与压力脉动简单关系，设置了首级叶轮出口场点 1(0，0，0.182)和吸水室进口场点 2(0，1.5，1.5)、3(0，1.5，1.5)为测点，并在声场分布的基础上对监测点进行声场频域响应函数的计算，分别得到各场点的宽频谱。通过分析图 10(a)，发现位于叶轮出口的场点1 在叶频及其倍频处均有峰值，而且整体声压级并图 7声场计算流程图 8离心泵声学有限元网格图 9不同流量工况下的离心泵声场声压级分布不稳定，在多个频段出现低噪区，这说明叶轮出口的干涉作用造成了诱导噪声的分布不均匀。幅值于2000 Hz 处出现峰值然后下降，且峰值明显高于低频段，这可能与整泵的振动模态相关。0.8Q 工况下声压级峰值最高，这也是压力脉动最高的工况;1.0Q 工况下声压级较小，响应曲线相对稳定。在对图 10(b)、图 10(c)即吸水室进口场点 2和场点 3 的响应曲线进行分析后，发现吸水室进口处的声压级整体小于叶轮出口，两场点于 1000 Hz和 2000 Hz 处均有峰值。吸水室场点声压级在设计工况下最小，0.8Q 工况下较高。综合分析叶轮场点与吸水室场点的声压级分布规律，发现叶轮场点的声压级整体大于吸水室，且在低频处分布更不均匀、整体变化较大，说明压力132023 年第 2 期图 10监测点声压级频域响应曲线脉动幅值增大会导致声场的辐射声压级增强，且在叶片的旋转作用下，流体运动更加紊乱，同时导致噪声辐射增强;而且通过响应曲线发现叶轮出口低频段声压级明显高于吸水室进口，且响应曲线离散化程度更高，而高频段的声压级较进口只有小幅上升，离散程度低，这是因为在高频段压力脉动幅值较小，说明压力脉动强度为流动诱导噪声产生的主要影响因素。4结论通过 CFD/CA 相结合的方法，以两级离心泵为研究对象，对其流动诱导噪声的辐射情况进行了计算，得出以下结论:(1)离心泵内流场三维非定常数值计算的结果表明，离心泵叶轮出口处压力脉动幅值较吸水室出口有较大增加，峰值主要集中在叶频等低频段，且在设计工况下脉动幅值较小，在 0.8Q 流量下幅值较大。吸水室出口处由于受到叶轮蜗壳间的动静干涉作用影响，局部的压力脉动变化剧烈，随着监测点远离蜗壳区域，压力脉动逐渐平稳，这说明叶轮蜗壳间的动静干涉作用是离心泵流动诱导噪声产生的主要原因。(2)流动诱导噪声的声压级总体在 0.8Q 流量下较高，随着流量增加逐渐减小，在设计工况下最小。叶轮场点的声压级整体大于吸水室，在低频段差值最大，离散化程度最高。(3)压力脉动在低频段对流动诱导噪声产生影响较大，越接近压力脉动的主频，噪声的离散化程度越高。因此，离心泵内部压力脉动越强，宽频特性越明显，相应的流动诱导噪声辐射越紊乱，越容易引发结构共振。所以为保障泵运行稳定、低噪，设计时应注意平衡泵内部的压力脉动。参考文献 1 司乔瑞，廖敏泉，邱宁，等离心泵空化诱导噪声研究进展 J 船舶力学，2022，26(5):761 773 2 BIAJDA，PATIL，KHANZODE KVibration and noise incentrifugal pumps-sources and diagnosis methods C Porto:-eliability and Failure，2009 3 HE Ai-xia，SHAO Chun-leiStudy on the induced noise of gas-liquid two-phase flow in a centrifugal pump J Applied Acous-tics，2021，176:1 13 4 LANGTHJEM M A，OLHOFF NA numerical study of flow in-duced noise in a two-dimensional centrifugal pump Part I Hydro-dynamics J Journal of Fluids and Structures，2004，19(3):349 368 5 代翠离心泵作透平流体诱发噪声特性理论数值与试验研究D 镇江:江苏大学，2014 6 LIGHTHILL M JOn sound generated aerodynamically I Gen-eral theory J Proceedings of the oyal Society of London SeriesA Mathematical and Physical Sciences，1952，211(1107):564 587 7 TSAI Meng-hao，WU Si-yi，CHANG Kuo-chun，et alShakingtable tests of a scaled bridge 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所示。6结论综上，在数控立车上，通过大端设计夹头、小端上胎具的装夹方式减小了装夹变形;内孔上蛛型夹具支承，增加了工件的刚性，同时也减小了刀具振动导致的变形;粗加工、精加工选用不同的刀具参数，既保证了加工效率，也保证了工件加工精度;通过最优加工参数试验，有效地避免了加工变形，提高了工件表面精度。上述措施相结合，最终中间折流管加工检测合格。大型薄壁件折流管的试制成功为项目的顺利完成提供了保证，同时在薄壁件加工方面提供了技术参考。参考文献 1 陈宏钧机械加工工艺施工员手册 M 北京:机械工业出版社，2010 2 郑永康薄壁零件控制加工变形的工艺方法 J 机械制造，2012(4):88 89(本文编辑胡玉靓)(收稿日期2022 11 03)(上接第 32 页)9 司乔瑞，盛国臣，衡亚光，等基于 Lighthill 声类比理论的离心泵流动诱导噪声的数值模拟 J 振动与冲击，2018，37(23):84 90，97 10 张德胜，张乃舒，许彬，等基于 Lighthill 声类比理论的喷水推进泵不稳定流动诱导噪声的数值研究 J 振动与冲击，2021，40(10):278 287 11 丁剑，刘厚林，王勇，等叶片出口角影响离心泵噪声辐射数值研究 J 振动与冲击，2014，33(2):122 127 12 王镇宇，杨爱玲，戴韧离心泵流动诱导噪声的数值预测 J 机械工程学报，2012，48(6):162 167 13 刘厚林，李钰，王凯，等流体激励下多级离心泵辐射噪声特性研究 J 华中科技大学学报:自然科学版，2017，45(11):92 97 14 王凯，李钰，刘厚林，等多工况下多级离心泵水动力噪声数值研究 J 振动与冲击，2018，37(9):50 55 15 袁寿其，薛菲，袁建平，等离心泵压力脉动对流动噪声影响的试验研究 J 排灌机械工程学报，2009，27(5):287290(本文编辑陈丽霞)(收稿日期2022 11 24)25