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本文是在国家杰出青年科学基金“离心泵基础理论和节能关键技术研究”(50825902)和国家自然科学基金“离心泵内部非定常流动诱导振动和噪声机理研究(50979034)”的资助下展开的。随着日益严格的噪声标准和客户对泵整体品质要求的提高,离心泵内部流动诱导噪声的研究成为近年来一个新的研究方向。由于离心泵内部流动诱导噪声主要通过蜗壳向外传播,因此本文以离心泵蜗壳内部流动诱导噪声为研究对象,根据Lighthill声比拟方程,首次利用CFD软件和声振分析软件SYSNOISE对离心泵蜗壳内部流动诱导噪声进行数值模拟,主要研究工作和成果如下:
1.对国内外泵内部流动诱导噪声的研究作了较为系统的综述。通过对离心泵蜗壳内部声源的分析,认为作为偶极子源的蜗壳表面非稳定力(压力脉动)是蜗壳内部流动诱导噪声的主要声源。
2.采用基于S-A模型的DES方法,在CFD软件FLUENT中对包括叶轮和蜗壳在内的离心泵内部流场进行了三维非定常数值模拟。对离心泵进行性能预测,并与试验值进行对比,发现两者基本吻合,证明采用该湍流模型对离心泵内部流场进行非定常模拟是可行的,计算结果可信。
3.在保证性能预测准确的基础上对中截面上不同时刻的静压分布和涡分布进行分析。对静压分布的分析结果表明:叶轮的旋转对离心泵内部静压分布有一定的影响,隔舌附近区域静压随时间变化明显,距离隔舌越远,静压变化越小。对涡分布的分析结果表明:蜗壳隔舌附近有涡出现,且涡度大;小流量下,涡主要分布在叶轮流道的大部分区域,蜗壳内涡度很小;在设计流量和大流量下,随着流量的增大,叶轮流道内涡度变小,蜗壳内有明显的涡出现。
4.为研究蜗壳表面压力脉动特性,在蜗壳表面设置监测点,并对各监测点的压力脉动进行幅域和频域分析。分析结果表明:蜗壳隔舌和叶轮的动静干涉是引起蜗壳内压力脉动的主要原因;叶频下,隔舌处压力脉动最强,距离隔舌最远的点P5处的压力脉动最弱;设计流量下,蜗壳内部整体压力脉动最弱,偏离设计流量时,蜗壳内整体压力脉动增强。
5.利用SYSNOISE Rev5.6的新增模块——流动诱导噪声模块,采用直接边界元法,导入蜗壳表面压力脉动的时域数据,并直接转化为偶极子声源,通过FFT变化将偶极子源转化为频域分布,进而求解偶极子声源的声场。
分析结果表明:偶极子声源分布与蜗壳表面的压力脉动特性有着直接关系,但不同频率下偶极子声源的辐射效果不一样,通过压力脉动的强弱进行声强大小的判断只能适应于某些特殊情况;蜗壳出口处的噪声声压级在165dB以上,尤其在1.4Qd工况下,声压级已经达到170.3dB,因此,降低蜗壳内部流动诱导噪声在离心泵降噪研究中具有重要意义;各监测点的声场是由非定常流动诱导产生的噪声和其它声源产生的流动诱导噪声传播辐射的共同结果,在降低离心泵蜗壳内部流动诱导噪声的研究中,要充分考虑声源及其传播特性。