一種離心泵流動誘導噪聲數值預測方法
2023-06-13 20:47:41
一種離心泵流動誘導噪聲數值預測方法
【專利摘要】本發明公開了一種離心泵流動誘導噪聲數值預測方法，本發明提供一種在離心泵性能試驗的試驗結果的基礎上計算出其流噪聲的聲源特性的離心泵流動誘導噪聲數值預測方法，且該方法能夠較好地克服傳統計算方法中未考慮泵體結構對聲傳播的影響以及忽略渦流寬頻噪聲等缺點。將離心泵內部流動的分析以及遠場噪聲值計算的結果應用於離心泵低噪聲水力設計，可以減少試驗次數，縮短研發周期，節約開發成本，有效提高離心泵的設計質量；流體網格與聲學網格之間採用插值的方法，可以最大限度保留流場計算的聲源信息；利用GREEN分析，可以得到殼體不同部位對噪聲的貢獻度，對此進行研究，可以對殼體的前期設計或後期修改進行優化。
【專利說明】一種離心泵流動誘導噪聲數值預測方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種離心式旋轉機械流動誘導噪聲的數值預測方法，特別是一種離心泵內流動現象引起的水力噪聲數值預測方法。
【背景技術】
[0002]近年來，噪聲汙染已經成為與空氣汙染和水汙染並列的世界三大汙染之一，影響人的身體和精神狀態。由一般機械裝置所發出的噪聲，已成為公害而受到社會的關注，很多國家都制定了不少法令和標準，提出了振動和噪聲的極限允許值。降低噪聲已成為制約產品質量的一個重要因素。
[0003]作為重要的能量轉換裝置和流體輸送設備，離心泵廣泛地應用於國民經濟的各部門，其噪聲目前已成為工廠、泵站、潛艇、艦船和住宅小區等的主要噪聲源之一。應用在潛艇、艦船等領域的離心泵，由於聲納偵察技術的逐漸應用，對其進行機組振動噪聲的主動控制和減振降噪技術手段的研究顯得尤為重要。離心泵產生的噪聲主要分為機械和流動誘導兩個方面，隨著科技的發展，目前已在機械噪聲的主動控制、振動和噪聲的被動控制(如隔振、吸振、阻振、吸聲等)方面取得長足的進步。但是，在離心泵內部非定常流動誘導振動和噪聲產生的機理和發展規律、流動誘導振動和噪聲的主動控制技術(消振和消聲)，以及低振動低噪聲離心泵的優化設計方面研究相對滯後，是目前迫切需要解決的應用基礎問題，也是離心泵減振和降噪研究的主要趨勢之一。
[0004]由於現有的試驗手段不能完全滿足離心泵流動誘導噪聲特性研究的需要，在潛艇用離心泵流噪聲特性研究及進行低噪聲水力設計方面迫切的尋求一種可靠的離心泵流動誘導噪聲數值預測方法。離心泵流動誘導噪聲數值預測屬於氣動聲學研究的範疇。目前，氣動噪聲的數值方法有以下三種:計算氣動聲學方法(Computational Aero-Acoustic,簡稱CAA)、萊特希爾聲類比方法(Lighthill』 s Acoustic Analogy)以及混合計算方法(HybridMethod)。CAA方法是從流場納維一斯託克斯方程(N-S方程)出發，直接得到流場和聲場的統一解。但是，由於流場和聲場的特性存在極大的差異，特別是在低馬赫數下，聲場能量與渦能量、聲波波長與湍流尺度以及聲壓與流場宏觀壓力的量級差異，導致該種方法對網格尺度、計算時間及離散格式有非常高的要求(時間和空間差分格式通常要求具有四階或六階甚至更高精度)，目前很多實際的工程問題仍然不能用這種方法。萊特希爾聲類比方法以Lighthill方程為基礎，其是N-S方程的推導。聲類比方法一般只用於計算遠場噪聲輻射，對於近場噪聲的計算誤差較大，工程實踐意義不大。混合計算方法主要是利用計算流體動力學(CFD)和計算聲學(CA)對工程中的氣動噪聲進行聯合仿真計算，其本質還是萊特希爾聲類比方法。但是，由於引入了專業的聲學計算方法，因此能夠對工程中氣動噪聲做出更全面的預測。上述三種方法均在離心泵噪聲預測方面已有相關研究，但要麼是通用性不強，要麼是不能考慮泵體等結構對聲場的影響。文獻《離心泵流動誘導噪聲的數值預測》提出一種計算流體力學與聲學邊界元耦合的計算方法，並考慮了結構振動對聲場計算的影響，但此方法忽略了流體流動產生的四極子聲源，計算的聲場不能反映離心泵流噪聲的聲源特性，計算結果只有在主頻及其倍頻下才是有效的。
【發明內容】
[0005]本發明所要解決的技術問題:針對現有技術中存在的問題，本發明提供一種在離心泵性能試驗的試驗結果的基礎上計算出其流噪聲的聲源特性的離心泵流動誘導噪聲數值預測方法，且該方法能夠較好地克服傳統計算方法中未考慮泵體結構對聲傳播的影響以及忽略渦流寬頻噪聲等缺點。
[0006]本發明的技術方案:為了解決以上技術問題本發明提供了一種離心泵流動誘導噪聲數值預測方法，採用大渦模擬與聲學有限元相結合併耦合結構振動，而且在離心泵流噪聲計算過程中，採用ACTRAN Aero-Acoustics模塊與Vibro-Acoustics聯合求解,既提取了流動載荷，又建立包含蝸殼與流體區域在內的有限元模型，無需藉助結構有限元分析軟體就進行了結構噪聲與流體噪聲的一體化分析，具體包括以下步驟:
[0007]步驟I)對模型泵做外特性試驗，取得數值計算時所需的邊界條件數據；
[0008]步驟2)根據試驗數據設置邊界條件，對流體域建模，進行流場計算，與試驗值進行對比；
[0009]步驟3)如果流場計算結果與試驗值不吻合，則修改邊界條件，轉到步驟2)；
[0010]步驟4)如果流場計算結果與試驗值吻合，則建立ACTRAN聲學分析模型，將流場信息轉換為聲源項，並劃分聲學網格，聲學網格只需一個波長內至少4個節點即可；
[0011]步驟5)建立泵體結構有限元分析模型，並在劃分好結構有限元網格後與聲學網格進行插值配套，並在一個泵體模型中分別定義內外不同工質進行聲振耦合計算；
[0012]步驟6)執行傅立葉轉換，將時域信號轉換為頻域；
[0013]步驟7) ACTRAN聲學計算流動誘導噪聲的傳播，設置場點，導出預設場點的聲場雲圖和聲壓頻響函數；
[0014]步驟8)ACTRAN/VI查看結果後可以提取計算域內雲圖分布、監測點聲壓頻譜以及做關於蝸殼噪聲貢獻度的ACTRAN分析；
[0015]所述的步驟2)的流場計算，包括以下步驟:
[0016]步驟21)根據流體域模型，先建立控制方程；
[0017]步驟22)由控制方程確定計算域，並在計算域網格劃分好後選擇湍流模型和建立離散方程，由給定的初始數據及邊界條件做定常計算，與外特性試驗值對比；
[0018]步驟23)如果定常計算結果與外特性試驗值對比不合理，則檢查修改方案，轉到步驟 22)；
[0019]步驟24)如果定常計算結果與外特性試驗值對比合理，則採用計算流體力學方法藉助通用計算流體力學計算軟體對泵內部流場進行非定常計算，做壓力動脈分析和非定常計算，結果以*.ensight文件輸出。
[0020]所述的聲源項分為面聲源和體聲源兩種，將葉輪旋轉區域所生成的聲源信息全部積分到葉輪和蝸殼的交界面上以面聲源處理，泵腔區域流體產生的聲源以體聲源處理；將離心泵內聲源分為面聲源和體聲源，並在聲學計算時耦合蝸殼結構的振動，可以大大提高預測的精度。
[0021]所述的流體力學方法是大渦模擬(LES)或分離渦模擬(DES)。[0022]所述的通用計算流體力學計算軟體是Fluent、Star-O)、Star-CCM+> CFX等。
[0023]有益效果:將離心泵內部流動的分析以及遠場噪聲值計算的結果應用於離心泵低噪聲水力設計，可以減少試驗次數，縮短研發周期，節約開發成本，有效提高離心泵的設計質量；流體網格與聲學網格之間採用插值的方法，可以最大限度保留流場計算的聲源信息；利用GREEN分析，可以得到殼體不同部位對噪聲的貢獻度，對此進行研究，可以對殼體的前期設計或後期修改進行優化。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0024]圖1為本發明的離心泵流動誘導噪聲數值預測流程圖
[0025]圖2為本發明的流場計算流程圖
[0026]圖3為本發明的離心泵聲學計算網格模型
[0027]圖4為本發明的流體網格與聲學網格插值方法
[0028]圖5為本發明的出口場點葉片通過頻率下模擬聲壓級與試驗的對比
[0029]圖6為本發明的GREEN分析得到的蝸殼貢獻量。
[0030]圖中:1.無反射邊界，2.聲傳播區，3.管道模態，4.蝸殼，5.Lighthill面源，
6.Lighthill體源,7.聲學網格節點,8.流場計算網格節點。
【具體實施方式】
[0031]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明做進一步的說明。
[0032]由圖1，圖2所示，一種離心泵流動誘導噪聲數值預測方法，採用大渦模擬與聲學有限元相結合併耦合結構振動，而且在離心泵流噪聲計算過程中，採用ACTRANAero-Acoustics模塊與Vibro-Acoustics聯合求解設計工況(Q=25m3/s)下的流動誘導噪聲，包括以下步驟:
[0033]步驟I)對模型泵做外特性試驗，取得數值計算時所需的邊界條件數據:進出口流量、壓力等以及泵的揚程，效率，軸功率曲線。
[0034]步驟2)根據試驗數據設置邊界條件:進口流量25m3/h和出口壓力330kPa。對流體域建模，進行流場計算，將模擬得到的揚程、效率、軸功率曲線等與試驗數據進行對比，在誤差小於5%範圍內認為模擬與試驗吻合；
[0035]步驟3)如果流場計算結果與試驗值不吻合，則修改邊界條件，轉到步驟2)；
[0036]步驟4)如果流場計算結果與試驗值吻合，則建立ACTRAN聲學分析模型，劃分流場聲學網格，聲學網格只需一個波長內至少4個節點即可，網格數98250 ；
[0037]步驟5)建立泵體結構有限元分析模型，並在劃分好結構有限元網格後與流場聲學網格進行組裝匹配，並分別定義泵體和流體介質的密度和聲傳播速度。例如流體為水的情況下，介質屬性中:密度為1000kg/m3,聲傳播速度為1400m/s。然後進行聲振稱合計算；
[0038]步驟6)執行傅立葉轉換FFT，將流場計算結果的時域信號轉換為聲學計算所需的頻域信號，轉換頻率範圍為0-3000HZ。
[0039]步驟7) ACTRAN聲學計算流動誘導噪聲的傳播，蝸殼的入口截面設置為面聲源，蝸殼水體設置為體聲源，在泵出口管路截面設置場點檢測，最後導出預設場點的聲場雲圖和聲壓頻響函數；[0040]步驟8) ACTRAN/VI查看結果後可以提取計算域內雲圖分布、監測點聲壓頻譜以及做關於蝸殼噪聲貢獻度的ACTRAN分析；
[0041]所述的步驟2)的流場計算，包括以下步驟:
[0042]步驟21)根據流體域模型，先建立控制方程；
[0043]步驟22)由控制方程確定計算域，並在計算域網格劃分好後選擇湍流模型和建立離散方程，由給定的初始數據及邊界條件做定常計算，與外特性試驗值對比，誤差在5%內認為合理；
[0044]步驟23)如果定常計算結果與外特性試驗值對比不合理，則檢查修改方案，轉到步驟 22)；
[0045]步驟24)如果定常計算結果與外特性試驗值對比合理，則採用計算流體力學方法藉助通用計算流體力學計算軟體對泵內部流場進行大渦模擬計算，結果以*.ensight文件輸出。
[0046]根據Lighthill聲類比理論，所述的聲源項分為面聲源和體聲源兩種，將葉輪旋轉區域所生成的聲源信息全部等價轉換到葉輪和蝸殼的交界面上以面聲源處理，泵腔區域流體產生的聲源以體聲源處理，其原理推導如下:定義，則聲類比頻域方程
[0047]
【權利要求】
1.一種離心泵流動誘導噪聲數值預測方法，在離心泵性能試驗的試驗結果的基礎上計算出其流噪聲的聲源特性，其特徵在於:採用大渦模擬與聲學有限元相結合併耦合結構振動，且在離心泵流噪聲計算過程中，採用ACTRAN Aero-Acoustics模塊與Vibro-Acoustics聯合求解，包括以下步驟: 步驟I)對模型泵做外特性試驗，取得數值計算時所需的邊界條件數據； 步驟2)根據試驗數據設置邊界條件，對流體域建模，進行流場計算，與試驗值進行對比； 步驟3)如果流場計算結果與試驗值不吻合，則修改邊界條件，轉到步驟2)； 步驟4)如果流場計算結果與試驗值吻合，則建立ACTRAN聲學分析模型，將流場信息轉換為聲源項，並劃分聲學網格，聲學網格只需一個波長內至少4個節點即可； 步驟5)建立泵體結構有限元分析模型，並在劃分好結構有限元網格後與聲學網格進行插值匹配，並在一個泵體模型中分別定義內外不同工質進行聲振耦合計算； 步驟6)執行傅立葉轉換，將時域信號轉換為頻域； 步驟7) ACTRAN聲學計算流動誘導噪聲的傳播，設置場點，導出預設場點的聲場雲圖和聲壓頻響函數； 步驟8) ACTRAN/VI查看結果後可以提取計算域內雲圖分布、監測點聲壓頻譜以及做關於蝸殼噪聲貢獻度的ACTRAN分析。
2.根據權利要求1所述的一種離心泵流動誘導噪聲數值預測方法，其特徵在於:所述的步驟2)的流場計算，包括以下步驟: 步驟21)根據流體域模型，先建立控制方程； 步驟22)由控制方程確定計算域，並在計算域網格劃分好後選擇湍流模型和建立離散方程，由給定的初始數據及邊界條件做定常計算，與外特性試驗值對比； 步驟23)如果定常計算結果與外特性試驗值對比不合理，則檢查修改方案，轉到步驟22)； 步驟24)如果定常計算結果與外特性試驗值對比合理，則採用計算流體力學方法藉助通用計算流體力學計算軟體對泵內部流場進行非定常計算，做壓力動脈分析和非定常計算，結果以*.ensight文件輸出。
3.根據權利要求1所述的一種離心泵流動誘導噪聲數值預測方法，其特徵在於:所述的聲源項分為面聲源和體聲源兩種，將葉輪旋轉區域所生成的聲源信息全部積分到葉輪和蝸殼的交界面上以面聲源處理，泵腔區域流體產生的聲源以體聲源處理。
4.根據權利要求2所述的一種離心泵流動誘導噪聲數值預測方法，其特徵在於:所述的流體力學方法是大渦模擬(LES)或分離渦模擬(DES)。
5.根據權利要求2所述的一種離心泵流動誘導噪聲數值預測方法，其特徵在於:所述的通用計算流體力學計算軟體是Fluent、Star-Q)、Star-CCM+> CFX。
【文檔編號】G06F17/50GK103631989SQ201310503029
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年10月23日 優先權日:2013年10月23日
【發明者】衡亞光, 司喬瑞, 袁壽其, 袁建平, 洪鋒 申請人:江蘇大學