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声学性能是离心泵综合性能指标之一，同时也是舰船、军事等领域用离心泵的重要考核指标。离心泵内流动诱导噪声不仅恶化了工作生活环境，而且是影响泵可靠运行的关键问题之一。离心泵内流动诱导噪声源于非定常流动，因此泵内三维流场与诱导声场耦合机制研究至关重要。通过研究声扰动在流体中的产生机理、分布特性和传播机制，全面揭示泵内流场与声场耦合机制，不仅可为流动诱导噪声控制技术研究奠定理论基础，也可为离心泵的三维优化设计提供指导，同时也可指导其他类型涡轮机械流动诱导噪声的相关研究。
涡声理论指出声扰动的产生与流场中漩涡、势流等密切相关，对流场与声场耦合机制研究具有重要指导意义。本文以Powell涡声理论为基础，围绕泵内声扰动产生机理、声场分布特性和噪声传播机制等关键问题开展研究，旨在通过实验验证，建立系统性研究声扰动产生机理、分布特性和传播机制的三维数值计算模型，揭示泵内三维流场与诱导声场耦合机制。主要工作和成果如下:
(1)构建了Powell涡声方程数值解法，编写了用户自定义函数(UDF)，建立了Powell涡声方程与计算流体力学相结合的三维隐式流场-声场耦合数值计算模型，引入了表征流动诱导噪声声源大小的时域声源和频域声源强度，为声扰动产生机理和声场分布特性研究创造了理论条件。此外，完善了泵内流动诱导噪声实验平台，测量了不同工况下噪声信号，分析了噪声频域响应特性及随工况的变化规律，验证了数值计算模型准确性，为噪声传播机制研究奠定了基础。
(2)基于Powell涡声理论，模拟研究了变工况时泵内流体速度和涡量非定常脉动特性，为泵内声扰动产生机理和声场分布特性研究奠定了基础。结果表明:泵内流体速度和涡量非定常脉动特性与叶片和隔舌空间相对位置密切相关，在叶片运动过程中存在着漩涡的产生、迁移、融合和破裂等现象。随着转速的增加或流量的减小，泵内流动逐渐趋于紊乱。
(3)基于流场-声场耦合数值计算模型，研究了变工况时泵内声场时空分布特性及演变规律，揭示了声扰动产生机理。结果表明:泵内声扰动的产生源于非定常流动引发的时域声源脉动。由速度和涡量重整获得的时域声源基本小于0，使声压扰动量小于0，二者最小值均位于隔舌附近。在叶轮周期性旋转过程中，受流场非定常流动特性的影响，泵内时域声源最小值区域随叶片运动呈现集中于隔舌处、破裂、拉伸、迁移、再次聚集于隔舌附近的演变规律，导致声压扰动量产生相似的演变规律。
(4)引入了表征时域声源脉动程度的声源标准差的概念，研究了变工况时泵内时域声源的声源标准差分布特性，揭示了泵内主要声源区域和主要性质声源。结果表明:泵内声源标准差最大值位于隔舌处及沿叶轮旋转方向略向下游延伸的部分区域，是泵内主要声源区域。流体动能不均匀性引发声源是主要性质声源，以隔舌处为例，其声源标准差在总声源标准差中的占比达95％左右。
(5)基于流场-声场耦合数值计算模型，研究了变工况时泵内声场频域分布特性，包括叶轮内声强度从叶轮进口到出口的变化规律以及蜗壳内声场指向性分布特性。结果表明:在叶轮内远离隔舌曲线上，不同工况下总声源强度从叶轮进口到出口均先迅速增长，后缓慢增长，总声压级呈相似的增长趋势，二者从进口到出口分别增长4.5％和6.9％，表明工况的改变不影响叶片-蜗壳壁面动静干涉强度演变过程。在靠近隔舌曲线上，总声源强度在叶轮尾部发生突变并再次迅速增长，导致总声压级产生相似突变，不同工况下二者从进口到出口分别增长6.6％和7.6％。此外，二者最大突变区间随转速的增加或流量的减小向叶轮中部移动，表明叶片-隔舌动静干涉强度在叶轮尾部发生突变，且最大突变区间随流动不稳定程度的加剧向叶轮中部移动。在蜗壳内，叶片运动导致圆周方向不同位置总声源强度存在差异，使总声源强度形成偶极子分布特性及最大值位于隔舌处的分布特性，导致总声压级形成相似的指向性分布特性。
(6)研究了泵进、出口噪声和泵内整体噪声随工况变化的差异。结果表明:在低于额定转速时，额定流量变转速工况进、出口噪声比阀门开度不变变转速工况进、出口噪声分别高0.5％和0.3％，而该工况泵内整体噪声比阀门开度不变变转速工况整体噪声低0.7％。对比结果表明泵内流动诱导噪声评价应考虑多个代表性测点的综合结果。
(7)基于流场-声场耦合数值计算模型，研究了泵内流动诱导声场时空分布特性、频域分布特性、不同位置噪声和整体噪声随叶片出口角的变化机理。结果表明:泵内声场时空分布特性和频域分布特性随叶片出口角的变化较小。此外，叶片出口角的增大使叶片尾部与蜗壳壁面和隔舌动静干涉强度分别降低和增强，表现为相应位置时域声源脉动范围和频域总声源强度分别减小和增大，导致对应总声压级分别减小和增大。当叶片出口角由15°增至35°时，叶轮出口远离隔舌位置总声源强度和总声压级均减小1.2％，靠近隔舌位置二者分别增长0.6％和0.9％，隔舌处二者分别增长1.6％和2.4％。整体而言，泵内时域声源脉动程度和频域声源强度随叶片出口角的增大而增大，使整体噪声增大。当叶片出口角由15°增至35°时，泵内整体声源强度和噪声分别增长0.9％和1.4％。
(8)引入了表征流场-声场整体协同程度的体积加权时均角的概念，基于流场-声场协同性研究编写UDF，建立了用于研究流动诱导噪声传播机制的三维数值计算模型，结合噪声实验测量进行了实验和模拟结果的对比验证。结果表明:额定工况下叶轮和蜗壳内体积加权时均角分别为85.9°和91.2°，随着转速或流量的增加，泵内体积加权时均角逐渐远离90°，泵外噪声逐渐增大，且二者随工况的变化趋势基本一致。表明流场-声场协同性变化适用于揭示泵内流动诱导噪声传播特性，且整体协同程度增强将导致泵内流动诱导噪声向泵外传播，即流场-声场的协同性影响着泵外噪声。此外，叶片出口角的增大使泵内体积加权时均角逐渐趋近90°。当叶片出口角由15°增至35°时，泵内体积加权时均角相距90°的差距从6.5°减小至4.7°，流场-声场整体协同程度降低，表明叶片出口角的增大可削弱泵内流动诱导噪声向外传播的趋势。
总之，本文建立了研究流动诱导噪声的全面数值计算模型，系统性地研究了泵内声扰动产生机理、声场分布特性和噪声传播机制，揭示了泵内三维流场与诱导声场耦合机制，具有重要的理论意义。此外，本文为泵内声源控制指明了明确位置，并提出了更为准确的泵内流动诱导噪声评价准则以及将噪声传播特性考虑在内的流动诱导噪声控制方式，具有较大的工程应用价值。同时，该数值计算模型也可用于其他涡轮机械流动诱导噪声的相关研究，具有广泛的适用性。
涡声理论指出声扰动的产生与流场中漩涡、势流等密切相关，对流场与声场耦合机制研究具有重要指导意义。本文以Powell涡声理论为基础，围绕泵内声扰动产生机理、声场分布特性和噪声传播机制等关键问题开展研究，旨在通过实验验证，建立系统性研究声扰动产生机理、分布特性和传播机制的三维数值计算模型，揭示泵内三维流场与诱导声场耦合机制。主要工作和成果如下:
(1)构建了Powell涡声方程数值解法，编写了用户自定义函数(UDF)，建立了Powell涡声方程与计算流体力学相结合的三维隐式流场-声场耦合数值计算模型，引入了表征流动诱导噪声声源大小的时域声源和频域声源强度，为声扰动产生机理和声场分布特性研究创造了理论条件。此外，完善了泵内流动诱导噪声实验平台，测量了不同工况下噪声信号，分析了噪声频域响应特性及随工况的变化规律，验证了数值计算模型准确性，为噪声传播机制研究奠定了基础。
(2)基于Powell涡声理论，模拟研究了变工况时泵内流体速度和涡量非定常脉动特性，为泵内声扰动产生机理和声场分布特性研究奠定了基础。结果表明:泵内流体速度和涡量非定常脉动特性与叶片和隔舌空间相对位置密切相关，在叶片运动过程中存在着漩涡的产生、迁移、融合和破裂等现象。随着转速的增加或流量的减小，泵内流动逐渐趋于紊乱。
(3)基于流场-声场耦合数值计算模型，研究了变工况时泵内声场时空分布特性及演变规律，揭示了声扰动产生机理。结果表明:泵内声扰动的产生源于非定常流动引发的时域声源脉动。由速度和涡量重整获得的时域声源基本小于0，使声压扰动量小于0，二者最小值均位于隔舌附近。在叶轮周期性旋转过程中，受流场非定常流动特性的影响，泵内时域声源最小值区域随叶片运动呈现集中于隔舌处、破裂、拉伸、迁移、再次聚集于隔舌附近的演变规律，导致声压扰动量产生相似的演变规律。
(4)引入了表征时域声源脉动程度的声源标准差的概念，研究了变工况时泵内时域声源的声源标准差分布特性，揭示了泵内主要声源区域和主要性质声源。结果表明:泵内声源标准差最大值位于隔舌处及沿叶轮旋转方向略向下游延伸的部分区域，是泵内主要声源区域。流体动能不均匀性引发声源是主要性质声源，以隔舌处为例，其声源标准差在总声源标准差中的占比达95％左右。
(5)基于流场-声场耦合数值计算模型，研究了变工况时泵内声场频域分布特性，包括叶轮内声强度从叶轮进口到出口的变化规律以及蜗壳内声场指向性分布特性。结果表明:在叶轮内远离隔舌曲线上，不同工况下总声源强度从叶轮进口到出口均先迅速增长，后缓慢增长，总声压级呈相似的增长趋势，二者从进口到出口分别增长4.5％和6.9％，表明工况的改变不影响叶片-蜗壳壁面动静干涉强度演变过程。在靠近隔舌曲线上，总声源强度在叶轮尾部发生突变并再次迅速增长，导致总声压级产生相似突变，不同工况下二者从进口到出口分别增长6.6％和7.6％。此外，二者最大突变区间随转速的增加或流量的减小向叶轮中部移动，表明叶片-隔舌动静干涉强度在叶轮尾部发生突变，且最大突变区间随流动不稳定程度的加剧向叶轮中部移动。在蜗壳内，叶片运动导致圆周方向不同位置总声源强度存在差异，使总声源强度形成偶极子分布特性及最大值位于隔舌处的分布特性，导致总声压级形成相似的指向性分布特性。
(6)研究了泵进、出口噪声和泵内整体噪声随工况变化的差异。结果表明:在低于额定转速时，额定流量变转速工况进、出口噪声比阀门开度不变变转速工况进、出口噪声分别高0.5％和0.3％，而该工况泵内整体噪声比阀门开度不变变转速工况整体噪声低0.7％。对比结果表明泵内流动诱导噪声评价应考虑多个代表性测点的综合结果。
(7)基于流场-声场耦合数值计算模型，研究了泵内流动诱导声场时空分布特性、频域分布特性、不同位置噪声和整体噪声随叶片出口角的变化机理。结果表明:泵内声场时空分布特性和频域分布特性随叶片出口角的变化较小。此外，叶片出口角的增大使叶片尾部与蜗壳壁面和隔舌动静干涉强度分别降低和增强，表现为相应位置时域声源脉动范围和频域总声源强度分别减小和增大，导致对应总声压级分别减小和增大。当叶片出口角由15°增至35°时，叶轮出口远离隔舌位置总声源强度和总声压级均减小1.2％，靠近隔舌位置二者分别增长0.6％和0.9％，隔舌处二者分别增长1.6％和2.4％。整体而言，泵内时域声源脉动程度和频域声源强度随叶片出口角的增大而增大，使整体噪声增大。当叶片出口角由15°增至35°时，泵内整体声源强度和噪声分别增长0.9％和1.4％。
(8)引入了表征流场-声场整体协同程度的体积加权时均角的概念，基于流场-声场协同性研究编写UDF，建立了用于研究流动诱导噪声传播机制的三维数值计算模型，结合噪声实验测量进行了实验和模拟结果的对比验证。结果表明:额定工况下叶轮和蜗壳内体积加权时均角分别为85.9°和91.2°，随着转速或流量的增加，泵内体积加权时均角逐渐远离90°，泵外噪声逐渐增大，且二者随工况的变化趋势基本一致。表明流场-声场协同性变化适用于揭示泵内流动诱导噪声传播特性，且整体协同程度增强将导致泵内流动诱导噪声向泵外传播，即流场-声场的协同性影响着泵外噪声。此外，叶片出口角的增大使泵内体积加权时均角逐渐趋近90°。当叶片出口角由15°增至35°时，泵内体积加权时均角相距90°的差距从6.5°减小至4.7°，流场-声场整体协同程度降低，表明叶片出口角的增大可削弱泵内流动诱导噪声向外传播的趋势。
总之，本文建立了研究流动诱导噪声的全面数值计算模型，系统性地研究了泵内声扰动产生机理、声场分布特性和噪声传播机制，揭示了泵内三维流场与诱导声场耦合机制，具有重要的理论意义。此外，本文为泵内声源控制指明了明确位置，并提出了更为准确的泵内流动诱导噪声评价准则以及将噪声传播特性考虑在内的流动诱导噪声控制方式，具有较大的工程应用价值。同时，该数值计算模型也可用于其他涡轮机械流动诱导噪声的相关研究，具有广泛的适用性。