一种叶片泵空化诱导噪声数值预报方法与流程

本发明专利属于流体机械空化噪声计算领域，是一种叶片泵空化诱导噪声的数值预报方法。

背景技术：

叶片泵作为一种应用于国民经济各个领域的换能装置，是关系到国计民生及国家安全的重要战略装备。空化作为叶片泵工程领域发展的关键问题核心，制约其向着高可靠性、高稳定性的方向发展。由于空化机理的复杂性，数值计算方法逐渐替代真机实验成为空化研究的主要手段之一。

而空化的数值模拟受多相流模型、湍流模型、空化模型及各项流体参数的影响，因此为预测叶片泵空化诱导噪声不仅需要选择合适的模型，更需要对能量集中的主要频段噪声准确预测。目前对于空化噪声的研究主要集中于单个球形空泡溃灭产生脉冲辐射噪声理论预测，这种方法无法很好地与实际数据对比验证，对于空化严重时空穴移动导致压力低频振荡所产生的空化诱导噪声无法准确计算。而由空泡溃灭所产生的高频噪声能量衰减很快，低频噪声能量传播性更强，对叶片泵运行的可靠性及稳定性危害更大，因此叶片泵空化诱导噪声数值预测是一个研究难题。

本发明专利提出一种将边界元法与有限元法耦合的能够计算声学流体域与薄壁结构间声固耦合效应的方法计算叶片泵空化诱导噪声，解决对空化诱导噪声的数值预测问题，对高空化性能叶片泵的设计与空化监测具有十分重要的意义。

技术实现要素：

本发明的目的：针对目前叶片泵空化预测方法中存在的问题和不足，本发明旨在提供一种较为准确叶片泵空化诱导噪声的数值预报方法该方法，通过cfd数值计算软件模拟叶片泵空化特征并提取固定偶极子及旋转偶极子声源文件，应用边界元法计算空化诱导噪声内辐射声场，并应用边界元与有限元耦合算法计算声固耦合效应产生的外场辐射噪声，得到各空化数下内场声压级及辐射声功率级曲线，外辐射声功率频率相应函数及声场指向分布。

本发明的技术方案是：一种叶片泵空化诱导噪声数值预报方法包括：(1)对流场域及泵壳体结构进行建模，对流场域进行网格划分，检查网格质量，按照泵具体运行参数设置压力进口，速度出口边界条件，设置求解器参数，并计算未空化定常文件。(2)进行定常迭代计算得到各空化数下空化数值结果文件，并对模型进行湍流模型及空化模型进行验证。(3)将添加空化模型的定常结果文件作为空化非定常计算的初始值进行非定常迭代计算，得到各空化数下包含脉动及网格信息文件。(4)在声学计算软件中应用声类比理论与有限元法及边界元法的耦合算法计算叶片泵空化诱导噪声。

一种叶片泵空化诱导噪声数值预报方法，包括以下步骤：步骤1)搭建闭式可视化实验台，通过实验获取外特性及空化性能曲线，得到个空化阶段内场空泡分布，三维模型建立及网格划分：对流场域及泵壳体结构进行建模，对流场域进行网格划分，检查网格质量；

步骤2)采用cfd软件设置无空化数值计算文件：将步骤1)的网格导入cfd软件，进行边界条件设置，湍流模型选择，求解器参数设置，计算无空化数值计算文件；

步骤3)对湍流模型进行修正直至达到预测精度：通过对比试验与计算值外特性之间差异，确定湍流模型是否适合此状态工况，若差值在允许范围外，则返回步骤2)重新选择湍流模型或对湍流模型进行修正直至达到预测精度，直到差值在允许范围内，则进入步骤4)；

步骤4)设置空化定常数值计算文件：设置气液两相物性参数，设定初始组分边界条件，设定进口压边界条件，空化模型选择；

步骤5)对空化模型进行修正直至达到预测精度：通过对比空化性能参数与试验值差异，确定空化模型是否适合当下工况，若不符合则返回步骤4)通过高速摄影结果进一步修正气化系数、凝结系数及密度修正函数优化空化模型直至达到预测精度，直到符合计算精度要求进入步骤6)；

步骤6)设置非定常空化数值计算文件：固定偶极子及旋转偶极子声源提取设置，将空化定常初始文件迭代计算非定常数值，得到空化形态；

步骤7)采用lmsvirtual.lab软件bem模块计算内场噪声：固定及旋转偶极子声源输入，边界元及场点网格生成，进行流体材料属性定义，边界条件设置，吸声属性设置，开始声场及场点分布计算；

步骤8)采用lmsvirtual.lab软件fem模块进行模态计算：bem/fem耦合计算得到外场辐射噪声，包括有限元网格划分，模态计算，阻尼添加，声振耦合定义及计算，得到某空化系数下外辐射声功率频率相应函数及声场指向分布。

上述方案中，所述步骤1)三维模型建立及网格划分具体包括以下步骤：

步骤11)应用三维建模软件对泵流体域进行三维建模，并对泵体进行三维建模，输出后缀为stp的模型文件；

步骤12)分别对流体域及壳体进行网格划分，并检查网格质量，为保证计算精度，调整网格质量大于0.2，最小网格角度大于18度，并输出后缀为cfx的网格文件。

上述方案中，所述步骤2)采用cfd软件设置无空化数值计算文件具体包括以下步骤：

步骤21)将步骤1)的网格文件导入在cfd软件中并进行计算模型设置，选择isothermal传热模型及k-epsilon湍流模型使纳维-斯托克斯方程封闭；流体介质选取并根据实际值设置流体介质密度及粘性系数；设置进出口边界条件，根据实际值设置环境压力，根据实际情况设置泵轮转速，旋转速度单位为revmin^-1；旋转计算域壁面设置为无滑移壁面，设置旋转轴与叶轮旋转方向一致壁面相对速度设为0，使用rotating坐标系；静止计算域壁面设置为无滑移壁面，设置为全局静止坐标系；动静计算域交界面采用mrf多重参考系，变换坐标系设置为frozenrotor，网格连接方式设置为ggi；静静计算域交界面连接模型设为普通连接，网格连接方式设为ggi；求解器参数中对流项设置为高分辨模式，湍流数值项设为一阶迎风，求解步数根据实际情况设置，收敛判据残差设置为平均值rms数值为10^-4，使用cel语言写入扬程效率表达式进行监测，输出后缀为def的无空化数值计算文件；

步骤22)无空化文件计算得到效率扬程性能曲线，输出后缀为res的结果文件。

其中泵外特性计算表达式为：

效率efficiency：

massflow()@outlet*g*head/(torque*2950*2*pi/60)

扬程head：

(massflowave(totalpressureinstnframe)@outlet-massflowave(totalpressureinstnframe)@inlet)/g/997

转矩torque：

torque_z()@blade+torque_z()@shroud+torque_z()@hub

上述方案中，所述步骤3)湍流模型修正，修正后的湍流粘度为：

其中，cμ为模型常数；k为湍动能；ε为湍流耗散率；f为滤波函数；ρ为气液混合密度；ρv为气相密度；ρm为液相密度。

上述方案中，所述步骤4)设置空化定常数值计算文件具体包括以下步骤：

步骤41)将气态介质添加入计算域中并根据实际情况设置介质物性参数，选择均相流模型，质量传递设置为cavitation，并输入该介质的饱和蒸气压；

步骤42)设置进口边界体积分数，将液态体积分数设为1，气态设为0；

步骤43)将无空化情况下计算的res文件作为初始文件进行一个大气压下的空化计算，并在计算完成后降低背压，直至发生空化现象，输出所需要空化数下的定常结果文件。

上述方案中，所述步骤5)空化模型修正，空话模型最终形式为：

pturb＝0.39ρk

pv＝(psat+pturb/2)

其中，u∞为自由流速度；l为特征长度；t∞＝l/u∞为特征时间尺度；cdest＝9×10⁵；cprod＝3×10⁴；αv为气相体积分数；pv为气化压力；psat、pturb为压力修正系数。

上述方案中，所述步骤6)设置非定常空化数值计算文件具体包括以下步骤：

步骤61)将空化定常计算文件中计算模型改为瞬态计算，设置瞬态计算总时间及单位时间步长；

步骤62)数据交界面模型中坐标系修改为瞬时转子定子；

步骤63)修改非定常求解器参数，设置瞬态计算数据设置及中间步流场保存；

步骤64)设置固定偶极子及旋转偶极子声源提取，设置压力脉动监测点，并应用cel语言写入声功率级方程，并输出非定常计算文件；

步骤65)将空化定常计算的各res文件作为初始文件进行不同空化数下非定常计算，并输出包含脉动信息的后缀为cgns文件，

其中声功率级方程表达式为：

mt＝sqrt(ke)/c

wa＝0.1*wden*ed*mt^5

wref＝6.7*10e-19[wm^-3]

lw＝10*log(wa/wref)

c＝1500[ms^-1]。

式中，mt为湍流尺度；ke为湍流动能；wa为声功率；wref为参考声功率；wden为液相密度；c为液相中声速；lw为声功率级。

上述方案中，所述步骤7)中采用lmsvirtual.lab软件bem模块计算固定偶极子内场噪声包括以下步骤：

步骤71)将包含流体网格及流体压力信息的cgns文件导入声学边界元模块计算压力脉动并保存；

步骤72)采用lmsvirtual.lab软件生成边界元网格，bem模块内设置分析模型为direct、interior、element，导入边界元网格及场点网格，定义网格类型并进行前处理使网格单元法线方向指向声场同侧；

步骤73)定义叶片泵内流体材料及属性，导入压力结果文件，将脉动映射至边界元网格；

步骤74)定义加速度边界条件及吸声属性，开始声场及场点分布计算，得到某空化数下内场场点声压级及辐射声功率曲线。

上述方案中，所述步骤72)中采用lmsvirtual.lab软件生成边界元网格的具体步骤如下：

步骤721)将泵水体模型后缀为stp的文件导入lmsvirtual.lab软件，并按照声学尺寸划分面网格，声学网格尺寸与计算频率满足fmax＝c/6l，其中fmax为可计算最高频率，与计算时间步长设置有关，c为声音在流体介质中传播速度，l为网格单元长度；

步骤722)进入边界元模块，并选中面网格输出后缀名为bdf的网格文件；

步骤723)打开bdf网格文件，通过不同特征角度将进出口面、进出口管道、叶轮及泵腔分开用于后续数据映射。

上述方案中，所述步骤7)中采用lmsvirtual.lab软件bem模块计算旋转偶极子内场噪声包括以下步骤如下：

步骤75)将包含流体网格及流体压力信息的cgns文件导入声学边界元模块，按周向定义并计算叶片上集中载荷；

步骤76)生成边界元网格，在边界元模块将分析模型设置为direct、interior、element，导入边界元网格及场点网格，定义网格类型并进行前处理使网格单元法线方向指向声场同测；

步骤77)定义泵内流体材料及属性，导入叶片表面压力结果文件；

步骤78)定义扇声源及吸声属性，进行声场分布及场点计算，得到某空化数下内场旋转偶极子声压频率响应函数。

上述方案中，所述步骤8)采用lmsvirtual.lab软件fem模块进行模态计算，bem/fem耦合计算得到外场辐射噪声步骤如下：

步骤81)导入泵体后缀为stp的文件，定义壳体材料属性并保存；

步骤82)划分有限元网格，在有限元模块中定义网格及结构属性，添加约束面定义约束，并进行有限元结构模态计算；

步骤83)在边界元模块中导入边界元网格及泵体结构模态，添加模态阻尼及指向性场点，并定义各网格类型，进行前处理操作；

步骤84)定义流体材料属性及结构属性，导入蜗壳压力脉动结果并进行数据映射；

步骤85)定义加速度边界条件、吸声属性，进行耦合声场分布计算和场点计算，得到某空化系数下外辐射声功率频率相应函数及声场指向分布。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明通过叶片泵的内外特性试验对湍流模型及空化模型进行修正，能够准确模拟出空化周期形态，为叶片泵空化诱导噪声数值预报提供保障。

2.本发明提出一种能够计算声学流体域与薄壁结构间声固耦合效应的方法用于计算叶片泵空化诱导噪声，解决对空化诱导噪声的数值预测问题。

3.本发明根据对空化形态、压力脉动分布及变化规律、辐射声场的变化特性的对比说明此预报方法的准确性，对高空化性能泵的设计及空化诊断提供依据。

附图说明

图1为本发明一实施方式的流程图；

图2为本发明实施例中叶片泵壳体及电机三维示意图；

图3为本发明实施例中叶片泵流体域三维示意图；

图4为本发明实施例中空化模型优化后各空化数下实验模拟对比图；

图5为本发明实施例中流体域边界元网格图；

图6为本发明实施例中不同空化数下内场噪声频谱图；

图7为本发明实施例中外场辐射声场分布图；

图8为本发明实施例中空化数为0.31的外场指向性分布图。

图中，1、电机；2、轴；3、叶片泵泵体；4、进口法兰；5、出口法兰；6、出口延长段水体；7、蜗壳水体；8、叶轮水体；9、进口延长段水体。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于此。

图1所示为本发明所述叶片泵空化诱导噪声数值预报方法的流程图，本实施例采用一台船用离心泵为例，其主要设计参数：流量q＝20m3/h，扬程h＝24.5m，转速2950r/min，输送介质为海水，叶轮进口直径52mm，叶轮出口直径142mm，叶片数6，叶轮出口宽度8mm，蜗壳基圆直径152mm，蜗壳进口宽度21mm。搭建闭式可视化实验台，通过实验获取外特性及空化性能曲线，得到个离心泵空化阶段内场空泡分布。

所述叶片泵空化诱导噪声数值预报方法，主要用于计算叶片泵在低压或大流量场合发生空化的内外场辐射噪声，包括以下步骤：

步骤1)三维模型建立及网格划分：

应用ug三维造型软件对泵流体域进行三维建模，并对泵体结构进行三维建模，并输出后缀为stp的模型文件。如图2所示为叶片泵壳体及电机三维示意图，图中可见电机1、轴2、叶片泵泵体3、进口法兰4和出口法兰5；如图3所示为叶片泵流体域三维示意图，图中可见出口延长段水体6、蜗壳水体7、叶轮水体8和进口延长段水体9。对流体域进行网格划分，并检查网格质量，网格质量大于0.2，最小网格角度大于18度，网格数量2524115。输出后缀为cfx的网格文件。

步骤2)采用cfd软件设置无空化数值计算文件：

将网格导入ansyscfx软件中并进行计算模型设置，选择isothermal传热模型及k-epsilon湍流模型；流体介质选取waterat25℃，介质密度998kg/m³；设置进出口边界条件，压力进口设为1atm，流量出口设为20m³/h，叶轮转速设置为2950revmin^-1；旋转计算域壁面设置为无滑移壁面，设置旋转轴与叶轮旋转方向一致壁面相对速度设为0，使用rotating坐标系；静止计算域壁面设置为无滑移壁面，设置为全局静止坐标系；动静计算域交界面采用mrf多重参考系，变换坐标系设置为frozenrotor，网格连接方式设置为ggi；静静计算域交界面连接模型设为普通连接，网格连接方式设为ggi；求解器参数中对流项设置为高分辨模式，湍流数值项设为一阶迎风，求解步数根据实际情况设置，收敛判据残差设置为平均值rms数值为10^-4；使用cel语言写入扬程效率表达式进行监测，输出后缀为def的无空化数值计算文件。

步骤3)修正湍流模型：

通过对比内外特性参数与实验值大小，确定湍流模型是否适合此状态工况，若误差大于5％，则对湍流模型进行修正直至达到预测精度。

步骤4)设置空化定常数值计算文件：

将气态介质vapour添加入计算域，设置摩尔质量1.0kgkmol^-1，选择均相流模型，质量传递设置为cavitation，并输入该介质的饱和蒸气压3574pa。设置进口边界体积分数，将液态体积分数设为1，气态设为0。将无空化情况下计算的res文件作为初始文件进行一个大气压下的空化计算，并在计算完成后降低背压，输出所需要空化数下的定常结果文件。

步骤5)修正空化模型：

通过对比空化性能参数与实验值差值，确定空化模型是否适合当下工况，通过修正气化系数、凝结系数及密度修正函数优化空化模型直至达到预测精度。

优化后模拟空化空泡分布与高速摄影实验拍摄空泡分布如图4所示。可以看出，通过此方法模拟出的空化分布与实验基本贴切，空泡首先出现在叶片吸力面靠近叶轮进口位置，随着空化发展，逐渐向叶片外缘延伸，当空化发展到一定程度后，各叶片空泡分布相连，堵塞流道，影响水力性能，使泵运行振动噪声急剧上升。

步骤6)设置非定常空化数值计算文件：

将空化定常计算文件中计算模型改为瞬态计算，设置瞬态计算总时间t＝0.4s，单位时间步长设为δt＝0.00005787s。在数据交界面模型中将坐标系修改为瞬时转子定子。修改非定常求解器参数，设置瞬态计算数据并设置中间步流场保存t＝0.05s。设置固定偶极子及旋转偶极子声源提取，设置压力脉动监测点，并应用cel语言写入声功率级方程，并输出非定常计算文件。将空化定常计算的各res文件作为初始文件进行不同空化数下非定常计算，并输出包含脉动信息的后缀为cgns文件。

步骤7)采用lmsvirtual.lab软件bem模块计算固定偶极子空化诱导噪声内声场：

将包含流体网格及流体压力信息的cgns文件导入声学边界元模块计算压力脉动并保存。将泵水体模型后缀为stp的文件导入lmsvirtual.lab软件，并按照声学尺寸划分面网格，要求声学网格尺寸设为10mm，绝对容差设为1mm。如图5所示。进入边界元模块，并选中面网格输出后缀名为bdf的网格文件，打开网格文件，通过不同特征角度将进出口面、进出口管道、泵轮、涡轮及泵腔分开用于后续数据映射。在bem模块内设置分析模型为direct、interior、element，导入边界元网格，场点网格设置在距进出口面4倍管径处，定义网格类型并进行前处理使网格单元法线方向指向声场同侧。以加速度作为边界条件，进出口边界定义板面吸声属性，其余表面均为全反射壁面，声阻抗为1.5×10⁶kg·m^-2·s^-1，声速为1500m/s，水中参考声压为1×10^-6pa，导入压力结果文件，将脉动映射至边界元网格。开始声场及场点分布计算，得到几组空化数下内场场点声压级频谱曲线，如图6所示，空化初生时，噪声声压级频谱波动范围狭窄，主要能量集中于叶频及其高倍协频处，0～1000hz频段声压级下降较缓慢。随着空化的发展，声压级频谱波动范围增大，轴频频段附近声压级上升明显，叶频及其倍频略有上升，总声压级呈上升趋势，与实验结果较为符合。

采用lmsvirtual.lab软件bem模块计算旋转偶极子空化诱导噪声内声场：

将包含流体网格及流体压力信息的cgns文件导入声学边界元模块，按周向定义并计算叶片上集中载荷，分段数设置为10。生成边界元网格，在边界元模块将分析模型设置为direct、interior、element，导入边界元网格及场点网格，定义网格类型并进行前处理使网格单元法线方向指向声场同侧。声阻抗为1.5×106kgm-2s-1，声速为1500m/s，水中参考声压为1×10^-6pa，导入叶片表面压力结果文件。定义扇声源叶片数为6，转速为2950r/min，在噪声计算过程中利用快速fourier变换将时域脉动转换为频域脉动，进行声场分布及场点计算，得到某空化数下内场旋转偶极子声压频率响应函数。

步骤8)采用lmsvirtual.lab软件fem模块进行模态计算，bem/fem耦合计算得到空化诱导噪声外场辐射声场：

导入泵体后缀为stp的文件，定义壳体材料为iron。划分有限元网格，网格大小设置为2mm，绝对容差设置为1mm，在有限元模块中定义网格及结构属性，添加约束面定义约束，并进行有限元结构模态计算。在边界元模块中导入边界元网格及泵体结构模态，添加模态阻尼，这里添加1％的模态，设置360周向指向性场点，并定义各网格类型，进行前处理操作。定义内流流体材料密度998kg/m³，水中声速1500m/s，水中声压1×10^-6pa，空气密度1.225kg/m³，空气中声速340m/s，空气中参考声压为2×10^-5pa，导入蜗壳压力脉动结果并进行数据映射。定义加速度边界条件、吸声属性，进行耦合声场分布计算和场点计算，得到外辐射声场分布图，声功率级频谱图及指向性分布图，如图7～图8所示。外辐射声场显示辐射噪声主要声源位置位于蜗壳隔舌位置附近，说明空化时的主要噪声仍是水动力噪声。噪声频率主要集中于叶频及其倍频处，指向性分布偶极性降低，最大指向性声压出现在120°，最小指向性声压出现在330°。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。