一种离心泵流动诱导噪声数值预测方法
【专利摘要】本发明公开了一种离心泵流动诱导噪声数值预测方法，本发明提供一种在离心泵性能试验的试验结果的基础上计算出其流噪声的声源特性的离心泵流动诱导噪声数值预测方法，且该方法能够较好地克服传统计算方法中未考虑泵体结构对声传播的影响以及忽略涡流宽频噪声等缺点。将离心泵内部流动的分析以及远场噪声值计算的结果应用于离心泵低噪声水力设计，可以减少试验次数，缩短研发周期，节约开发成本，有效提高离心泵的设计质量；流体网格与声学网格之间采用插值的方法，可以最大限度保留流场计算的声源信息；利用GREEN分析，可以得到壳体不同部位对噪声的贡献度，对此进行研究，可以对壳体的前期设计或后期修改进行优化。
【专利说明】一种离心泵流动诱导噪声数值预测方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种离心式旋转机械流动诱导噪声的数值预测方法，特别是一种离心泵内流动现象引起的水力噪声数值预测方法。
【背景技术】
[0002]近年来，噪声污染已经成为与空气污染和水污染并列的世界三大污染之一，影响人的身体和精神状态。由一般机械装置所发出的噪声，已成为公害而受到社会的关注，很多国家都制定了不少法令和标准，提出了振动和噪声的极限允许值。降低噪声已成为制约产品质量的一个重要因素。
[0003]作为重要的能量转换装置和流体输送设备，离心泵广泛地应用于国民经济的各部门，其噪声目前已成为工厂、泵站、潜艇、舰船和住宅小区等的主要噪声源之一。应用在潜艇、舰船等领域的离心泵，由于声纳侦察技术的逐渐应用，对其进行机组振动噪声的主动控制和减振降噪技术手段的研究显得尤为重要。离心泵产生的噪声主要分为机械和流动诱导两个方面，随着科技的发展，目前已在机械噪声的主动控制、振动和噪声的被动控制(如隔振、吸振、阻振、吸声等)方面取得长足的进步。但是，在离心泵内部非定常流动诱导振动和噪声产生的机理和发展规律、流动诱导振动和噪声的主动控制技术(消振和消声)，以及低振动低噪声离心泵的优化设计方面研究相对滞后，是目前迫切需要解决的应用基础问题，也是离心泵减振和降噪研究的主要趋势之一。
[0004]由于现有的试验手段不能完全满足离心泵流动诱导噪声特性研究的需要，在潜艇用离心泵流噪声特性研究及进行低噪声水力设计方面迫切的寻求一种可靠的离心泵流动诱导噪声数值预测方法。离心泵流动诱导噪声数值预测属于气动声学研究的范畴。目前，气动噪声的数值方法有以下三种:计算气动声学方法(Computational Aero-Acoustic,简称CAA)、莱特希尔声类比方法(Lighthill’ s Acoustic Analogy)以及混合计算方法(HybridMethod)。CAA方法是从流场纳维一斯托克斯方程(N-S方程)出发，直接得到流场和声场的统一解。但是，由于流场和声场的特性存在极大的差异，特别是在低马赫数下，声场能量与涡能量、声波波长与湍流尺度以及声压与流场宏观压力的量级差异，导致该种方法对网格尺度、计算时间及离散格式有非常高的要求(时间和空间差分格式通常要求具有四阶或六阶甚至更高精度)，目前很多实际的工程问题仍然不能用这种方法。莱特希尔声类比方法以Lighthill方程为基础，其是N-S方程的推导。声类比方法一般只用于计算远场噪声辐射，对于近场噪声的计算误差较大，工程实践意义不大。混合计算方法主要是利用计算流体动力学(CFD)和计算声学(CA)对工程中的气动噪声进行联合仿真计算，其本质还是莱特希尔声类比方法。但是，由于引入了专业的声学计算方法，因此能够对工程中气动噪声做出更全面的预测。上述三种方法均在离心泵噪声预测方面已有相关研究，但要么是通用性不强，要么是不能考虑泵体等结构对声场的影响。文献《离心泵流动诱导噪声的数值预测》提出一种计算流体力学与声学边界元耦合的计算方法，并考虑了结构振动对声场计算的影响，但此方法忽略了流体流动产生的四极子声源，计算的声场不能反映离心泵流噪声的声源特性，计算结果只有在主频及其倍频下才是有效的。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题:针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种在离心泵性能试验的试验结果的基础上计算出其流噪声的声源特性的离心泵流动诱导噪声数值预测方法，且该方法能够较好地克服传统计算方法中未考虑泵体结构对声传播的影响以及忽略涡流宽频噪声等缺点。
[0006]本发明的技术方案:为了解决以上技术问题本发明提供了一种离心泵流动诱导噪声数值预测方法，采用大涡模拟与声学有限元相结合并耦合结构振动，而且在离心泵流噪声计算过程中，采用ACTRAN Aero-Acoustics模块与Vibro-Acoustics联合求解,既提取了流动载荷，又建立包含蜗壳与流体区域在内的有限元模型，无需借助结构有限元分析软件就进行了结构噪声与流体噪声的一体化分析，具体包括以下步骤:
[0007]步骤I)对模型泵做外特性试验，取得数值计算时所需的边界条件数据；
[0008]步骤2)根据试验数据设置边界条件，对流体域建模，进行流场计算，与试验值进行对比；
[0009]步骤3)如果流场计算结果与试验值不吻合，则修改边界条件，转到步骤2)；
[0010]步骤4)如果流场计算结果与试验值吻合，则建立ACTRAN声学分析模型，将流场信息转换为声源项，并划分声学网格，声学网格只需一个波长内至少4个节点即可；
[0011]步骤5)建立泵体结构有限元分析模型，并在划分好结构有限元网格后与声学网格进行插值配套，并在一个泵体模型中分别定义内外不同工质进行声振耦合计算；
[0012]步骤6)执行傅里叶转换，将时域信号转换为频域；
[0013]步骤7) ACTRAN声学计算流动诱导噪声的传播，设置场点，导出预设场点的声场云图和声压频响函数；
[0014]步骤8)ACTRAN/VI查看结果后可以提取计算域内云图分布、监测点声压频谱以及做关于蜗壳噪声贡献度的ACTRAN分析；
[0015]所述的步骤2)的流场计算，包括以下步骤:
[0016]步骤21)根据流体域模型，先建立控制方程；
[0017]步骤22)由控制方程确定计算域，并在计算域网格划分好后选择湍流模型和建立离散方程，由给定的初始数据及边界条件做定常计算，与外特性试验值对比；
[0018]步骤23)如果定常计算结果与外特性试验值对比不合理，则检查修改方案，转到步骤 22)；
[0019]步骤24)如果定常计算结果与外特性试验值对比合理，则采用计算流体力学方法借助通用计算流体力学计算软件对泵内部流场进行非定常计算，做压力动脉分析和非定常计算，结果以*.ensight文件输出。
[0020]所述的声源项分为面声源和体声源两种，将叶轮旋转区域所生成的声源信息全部积分到叶轮和蜗壳的交界面上以面声源处理，泵腔区域流体产生的声源以体声源处理；将离心泵内声源分为面声源和体声源，并在声学计算时耦合蜗壳结构的振动，可以大大提高预测的精度。
[0021]所述的流体力学方法是大涡模拟(LES)或分离涡模拟(DES)。[0022]所述的通用计算流体力学计算软件是Fluent、Star-O)、Star-CCM+> CFX等。
[0023]有益效果:将离心泵内部流动的分析以及远场噪声值计算的结果应用于离心泵低噪声水力设计，可以减少试验次数，缩短研发周期，节约开发成本，有效提高离心泵的设计质量；流体网格与声学网格之间采用插值的方法，可以最大限度保留流场计算的声源信息；利用GREEN分析，可以得到壳体不同部位对噪声的贡献度，对此进行研究，可以对壳体的前期设计或后期修改进行优化。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1为本发明的离心泵流动诱导噪声数值预测流程图
[0025]图2为本发明的流场计算流程图
[0026]图3为本发明的离心泵声学计算网格模型
[0027]图4为本发明的流体网格与声学网格插值方法
[0028]图5为本发明的出口场点叶片通过频率下模拟声压级与试验的对比
[0029]图6为本发明的GREEN分析得到的蜗壳贡献量。
[0030]图中:1.无反射边界，2.声传播区，3.管道模态，4.蜗壳，5.Lighthill面源，
6.Lighthill体源,7.声学网格节点,8.流场计算网格节点。
【具体实施方式】
[0031]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明做进一步的说明。
[0032]由图1，图2所示，一种离心泵流动诱导噪声数值预测方法，采用大涡模拟与声学有限元相结合并耦合结构振动，而且在离心泵流噪声计算过程中，采用ACTRANAero-Acoustics模块与Vibro-Acoustics联合求解设计工况(Q=25m3/s)下的流动诱导噪声，包括以下步骤:
[0033]步骤I)对模型泵做外特性试验，取得数值计算时所需的边界条件数据:进出口流量、压力等以及泵的扬程，效率，轴功率曲线。
[0034]步骤2)根据试验数据设置边界条件:进口流量25m3/h和出口压力330kPa。对流体域建模，进行流场计算，将模拟得到的扬程、效率、轴功率曲线等与试验数据进行对比，在误差小于5%范围内认为模拟与试验吻合；
[0035]步骤3)如果流场计算结果与试验值不吻合，则修改边界条件，转到步骤2)；
[0036]步骤4)如果流场计算结果与试验值吻合，则建立ACTRAN声学分析模型，划分流场声学网格，声学网格只需一个波长内至少4个节点即可，网格数98250 ；
[0037]步骤5)建立泵体结构有限元分析模型，并在划分好结构有限元网格后与流场声学网格进行组装匹配，并分别定义泵体和流体介质的密度和声传播速度。例如流体为水的情况下，介质属性中:密度为1000kg/m3,声传播速度为1400m/s。然后进行声振稱合计算；
[0038]步骤6)执行傅里叶转换FFT，将流场计算结果的时域信号转换为声学计算所需的频域信号，转换频率范围为0-3000HZ。
[0039]步骤7) ACTRAN声学计算流动诱导噪声的传播，蜗壳的入口截面设置为面声源，蜗壳水体设置为体声源，在泵出口管路截面设置场点检测，最后导出预设场点的声场云图和声压频响函数；[0040]步骤8) ACTRAN/VI查看结果后可以提取计算域内云图分布、监测点声压频谱以及做关于蜗壳噪声贡献度的ACTRAN分析；
[0041]所述的步骤2)的流场计算，包括以下步骤:
[0042]步骤21)根据流体域模型，先建立控制方程；
[0043]步骤22)由控制方程确定计算域，并在计算域网格划分好后选择湍流模型和建立离散方程，由给定的初始数据及边界条件做定常计算，与外特性试验值对比，误差在5%内认为合理；
[0044]步骤23)如果定常计算结果与外特性试验值对比不合理，则检查修改方案，转到步骤 22)；
[0045]步骤24)如果定常计算结果与外特性试验值对比合理，则采用计算流体力学方法借助通用计算流体力学计算软件对泵内部流场进行大涡模拟计算，结果以*.ensight文件输出。
[0046]根据Lighthill声类比理论，所述的声源项分为面声源和体声源两种，将叶轮旋转区域所生成的声源信息全部等价转换到叶轮和蜗壳的交界面上以面声源处理，泵腔区域流体产生的声源以体声源处理，其原理推导如下:定义，则声类比频域方程
[0047]
【权利要求】
1.一种离心泵流动诱导噪声数值预测方法，在离心泵性能试验的试验结果的基础上计算出其流噪声的声源特性，其特征在于:采用大涡模拟与声学有限元相结合并耦合结构振动，且在离心泵流噪声计算过程中，采用ACTRAN Aero-Acoustics模块与Vibro-Acoustics联合求解，包括以下步骤: 步骤I)对模型泵做外特性试验，取得数值计算时所需的边界条件数据； 步骤2)根据试验数据设置边界条件，对流体域建模，进行流场计算，与试验值进行对比； 步骤3)如果流场计算结果与试验值不吻合，则修改边界条件，转到步骤2)； 步骤4)如果流场计算结果与试验值吻合，则建立ACTRAN声学分析模型，将流场信息转换为声源项，并划分声学网格，声学网格只需一个波长内至少4个节点即可； 步骤5)建立泵体结构有限元分析模型，并在划分好结构有限元网格后与声学网格进行插值匹配，并在一个泵体模型中分别定义内外不同工质进行声振耦合计算； 步骤6)执行傅里叶转换，将时域信号转换为频域； 步骤7) ACTRAN声学计算流动诱导噪声的传播，设置场点，导出预设场点的声场云图和声压频响函数； 步骤8) ACTRAN/VI查看结果后可以提取计算域内云图分布、监测点声压频谱以及做关于蜗壳噪声贡献度的ACTRAN分析。
2.根据权利要求1所述的一种离心泵流动诱导噪声数值预测方法，其特征在于:所述的步骤2)的流场计算，包括以下步骤: 步骤21)根据流体域模型，先建立控制方程； 步骤22)由控制方程确定计算域，并在计算域网格划分好后选择湍流模型和建立离散方程，由给定的初始数据及边界条件做定常计算，与外特性试验值对比； 步骤23)如果定常计算结果与外特性试验值对比不合理，则检查修改方案，转到步骤22)； 步骤24)如果定常计算结果与外特性试验值对比合理，则采用计算流体力学方法借助通用计算流体力学计算软件对泵内部流场进行非定常计算，做压力动脉分析和非定常计算，结果以*.ensight文件输出。
3.根据权利要求1所述的一种离心泵流动诱导噪声数值预测方法，其特征在于:所述的声源项分为面声源和体声源两种，将叶轮旋转区域所生成的声源信息全部积分到叶轮和蜗壳的交界面上以面声源处理，泵腔区域流体产生的声源以体声源处理。
4.根据权利要求2所述的一种离心泵流动诱导噪声数值预测方法，其特征在于:所述的流体力学方法是大涡模拟(LES)或分离涡模拟(DES)。
5.根据权利要求2所述的一种离心泵流动诱导噪声数值预测方法，其特征在于:所述的通用计算流体力学计算软件是Fluent、Star-Q)、Star-CCM+> CFX。
【文档编号】G06F17/50GK103631989SQ201310503029
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年10月23日 优先权日:2013年10月23日
【发明者】衡亚光, 司乔瑞, 袁寿其, 袁建平, 洪锋 申请人:江苏大学