[发明专利]一种离心泵水力噪声预测方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种计算机辅助分析噪声领域的方法，具体是一种离心泵水力噪声数值模拟预测方法。

背景技术

泵是一种重要的流体输送设备，其中离心泵应用是最为广泛的泵之一。离心泵不仅应用在化工、水利等工农业领域，而且应用于航空、航海等国防领域。离心泵在运行过程中会产生噪声。泵是重大工程的关键设备，尽可能地减小噪声具有重要的社会意义和经济意义。

随着离心泵的噪声问题日益受到关注，其内部流动诱导噪声的研究已成为本行业的重点与难点。基于试验研究周期长、耗资大，且数值模拟的方法日益成熟，有必要提出一种准确和实用的离心泵内部流动诱导噪声的预测方法，以便进一步深入离心泵内部流动诱导噪声机理研究和低噪声水力设计等。

经检索，关于噪声预测方法相关的申报专利有：基于半无限流体的轿车车外噪声分析预测方法，申请号：201019100007.X。一种不同行驶状态下的机动车噪声排放预测方法，申请号：201210019479.4。一种基于建筑物群密度的室外声预测方法，申请号：201210060120.1。气体管路噪声源特性预测方法，申请号：201210104312.8。目前这些专利中，还没有针对离心泵旋转机械的噪声预测的专利，并且也没有关于离心泵流动诱导噪声的预测方法。

发明内容

本发明的目的是提出一种针对以离心泵内部流动诱导噪声的数值预测方法，同时，相应的实验验证整个方法预测的正确性。该方法能够实现对离心泵内部水力噪声进行快速、较准确的数值预测，为低噪声泵的研发提供技术支持。

声学数值模拟方法采用目前工程中计算流体诱导噪声使用最为广泛的混合法，它把声学数值模拟分为两步：第一步，将流体看成不可压流体，利用CFD求解流场；第二步，考虑流体的可压缩性，基于CFD得到的流动信息，根据Lighthill声比拟理论定义等价的声源，进而进行声辐射计算。

第一步，根据模型泵的水力图，采用Pro/E软件进行三维造型。模型泵全流道分为进口流道、进口延长段、口环、前腔体、叶轮、叶轮蜗壳间隙、蜗壳和后腔体等八部分。

第二步，运用ICEM软件对计算域进行网格划分，采用适应性强的非结构化四面体网格进行网格划分，并对复杂流动区域进行局部加密。

第三步，将网格导入ANSYS-CFX软件求解，采用不可压雷诺时均方程(RANS)，SSTk-ω湍流模型，边界条件根据计算工况采用速度进口边界条件，Opening出口边界条件，采用无滑移壁面函数。在定常计算中旋转区域(叶轮水体)与静止区域(叶轮与蜗壳间隙水体)的交界面选取Frozen Rotor模型。在计算过程中监测残差收敛，当迭代后残差达到10^-5时，视计算结果达到稳定，求解收敛，得到定常计算结果；非定常计算中旋转区域与静止区域的交界面改为Transient Rotor Stator模型，得到非定常计算结果。

第四步，在非定常结果中，将叶轮表面的压力以*.cgns文件格式输出作为下一步声场模拟的激励源。

第五步，将ANSYS CFX计算出来的载有叶轮表面压力的*.cgns文件导入LMSVirtual.Lab Acoustics进行扇声源生成，采用周向定义叶片载荷。把叶片截分成10段，并对叶片的压力波动时间历程按各部分进行面积积分，得到对应的三个方向的时域力。考虑到外壳的声散射效果，以模型泵外壳作为边界计算声场，其声学网格在ICEM中生成。再将该声学网格导入LMS Virtual.Lab Acoustics，并选择求解模型。选择直接边界元法计算内外声场，本方法对模型泵外声场计算视为单相耦合忽略了外壳的振动作用，外声场计算介质设为空气，而内声场介质设为水。再将生成的扇声源导入，计算模型泵在频域中由叶轮叶片引起的内外声场分布。同时在模型泵内外设置所需场点，以监测和分析其对应的声辐射特性。

本发明的有益效果是：

(1)应用ANSYS-CFX与LMS Virtual.Lab Acoustics对离心泵中由叶片表面偶极子源引起的声场进行联合求解，并研究其在叶频处的声学特性。

(2)预测离心泵水力噪声的数值模拟方法可以用来做对比、声优化设计研究。

附图说明

图1为模型泵全流场三维造型图

图2为模型泵内部流动模拟流程图

图3为模型泵流动诱导噪声场数值模拟流程图

图4为设计工况下模型泵外壳声压云图

图5为设计工况下出口噪声的试验值与模拟值对比图

具体实施方案