一種離心泵水力噪聲預測方法技術

本發明專利技術公開了一種離心泵水力噪聲的預測方法。其特征在于，對模型泵進行三維造型，在ANSYS-CFX中計算得到非定常數值模擬值，聯合LMS?Virtual.Lab?Acoustics求解離心泵內部流動誘導噪聲聲場。基于Lighthill聲比擬理論提出以葉片表面偶極子作為泵內聲源，采用混合法求解離心泵內流動誘導噪聲聲場的模擬方法。同時考慮蝸殼聲散射效果，以蝸殼為界建立內外聲學模型。同時根據泵內流動誘導噪聲特性，選擇直接邊界元法對聲場進行求解，研究離心泵在葉頻處及其諧頻處的聲學特性。該計算所得聲場隨流量變化的趨勢能反映模型泵的實際情況，因此數值模擬方法可以用來做預測離心泵流體誘導噪聲的預測方法，同時對低噪聲離心泵的設計提供理論設計依據。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種計算機輔助分析噪聲領域的方法，具體是一種離心泵水力噪聲數值模擬預測方法。
技術介紹
泵是一種重要的流體輸送設備，其中離心泵應用是最為廣泛的泵之一。離心泵不僅應用在化工、水利等工農業領域，而且應用于航空、航海等國防領域。離心泵在運行過程中會產生噪聲。泵是重大工程的關鍵設備，盡可能地減小噪聲具有重要的社會意義和經濟意義。隨著離心泵的噪聲問題日益受到關注，其內部流動誘導噪聲的研究已成為本行業的重點與難點。基于試驗研究周期長、耗資大，且數值模擬的方法日益成熟，有必要提出一種準確和實用的離心泵內部流動誘導噪聲的預測方法，以便進一步深入離心泵內部流動誘導噪聲機理研究和低噪聲水力設計等。經檢索，關于噪聲預測方法相關的申報專利有基于半無限流體的轎車車外噪聲分析預測方法，申請號201019100007.X。一種不同行駛狀態下的機動車噪聲排放預測方法，申請號201210019479. 4。一種基于建筑物群密度的室外聲預測方法，申請號201210060120.1。氣體管路噪聲源特性預測方法，申請號201210104312. 8。目前這些專利中，還沒有針對離心泵旋轉機械的噪聲預測的專利，并且也沒有關于離心泵流動誘導噪聲的預測方法。
技術實現思路
本專利技術的目的是提出一種針對以離心泵內部流動誘導噪聲的數值預測方法，同時，相應的實驗驗證整個方法預測的正確性。該方法能夠實現對離心泵內部水力噪聲進行快速、較準確的數值預測，為低噪聲泵的研發提供技術支持。聲學數值模擬方法采用目前工程中計算流體誘導噪聲使用最為廣泛的混合法，它把聲學數值模擬分為兩步第一步，將流體看成不可壓流體，利用CFD求解流場；第二步，考慮流體的可壓縮性，基于CFD得到的流動信息,根據Lighthill聲比擬理論定義等價的聲源，進而進行聲輻射計算。第一步，根據模型泵的水力圖，采用Pro/E軟件進行三維造型。模型泵全流道分為進口流道、進口延長段、口環、前腔體、葉輪、葉輪蝸殼間隙、蝸殼和后腔體等八部分。第二步，運用ICEM軟件對計算域進行網格劃分，采用適應性強的非結構化四面體網格進行網格劃分，并對復雜流動區域進行局部加密。第三步，將網格導入ANSYS-CFX軟件求解，采用不可壓雷諾時均方程(RANS)，SSTk-w瑞流模型,邊界條件根據計算工況采用速度進口邊界條件，Opening出口邊界條件，采用無滑移壁面函數。在定常計算中旋轉區域(葉輪水體)與靜止區域(葉輪與蝸殼間隙水體)的交界面選取Frozen Rotor模型。在計算過程中監測殘差收斂，當迭代后殘差達到10_5時，視計算結果達到穩定，求解收斂，得到定常計算結果；非定常計算中旋轉區域與靜止區域的交界面改為Transient Rotor Stator模型,得到非定常計算結果。第四步，在非定常結果中，將葉輪表面的壓力以*. cgns文件格式輸出作為下一步聲場模擬的激勵源。第五步，將ANSYS CFX計算出來的載有葉輪表面壓力的*.cgns文件導入LMSVirtual. Lab Acoustics進行扇聲源生成,采用周向定義葉片載荷。把葉片截分成10段，并對葉片的壓力波動時間歷程按各部分進行面積積分，得到對應的三個方向的時域力。考慮到外殼的聲散射效果，以模型泵外殼作為邊界計算聲場，其聲學網格在ICEM中生成。再將該聲學網格導入LMS Virtual. Lab Acoustics,并選擇求解模型。選擇直接邊界元法計算內外聲場，本方法對模型泵外聲場計算視為單相耦合忽略了外殼的振動作用，外聲場計算介質設為空氣，而內聲場介質設為水。再將生成的扇聲源導入，計算模型泵在頻域中由葉輪葉片引起的內外聲場分布。同時在模型泵內外設置所需場點，以監測和分析其對應的聲輻射特性。本專利技術的有益效果是(I)應用ANSYS-CFX與LMS Virtual. Lab Acoustics對離心泵中由葉片表面偶極子源引起的聲場進行聯合求解，并研究其在葉頻處的聲學特性。(2)預測離心泵水力噪聲的數值模擬方法可以用來做對比、聲優化設計研究。附圖說明圖1為模型泵全流場三維造型2為模型泵內部流動模擬流程3為模型泵流動誘導噪聲場數值模擬流程4為設計工況下模型泵外殼聲壓云5為設計工況下出口噪聲的試驗值與模擬值對比圖具體實施方案下面結合應用實例附圖對本專利技術作進一步的描述(I)應用Pro/E軟件對模型泵進行三維造型。模型泵全流道分為進口流道、進口延長段、口環、前腔體、葉輪、葉輪蝸殼間隙、蝸殼和后腔體等八部分。(2)本方法運用ICEM對計算域進行網格劃分，采用適應性強的非結構化四面體網格進行網格劃分，并對復雜流動區域進行局部加密。(3)將網格導入ANSYS-CFX軟件，采用旋轉坐標系下的定常不可壓雷諾時均方程(RANS)，運用SSTk-co湍流模型對雷諾應力項進行模化。(4)邊界條件根據計算工況采用速度進口、壓力出口，出口邊界類型設為Opening，壁面無滑移。在定常計算中旋轉區域(葉輪水體)與靜止區域(葉輪與蝸殼間隙水體)的交界面選取轉子凍結(Frozen Rotor)模型。在計算過程中監測殘差收斂，當迭代后殘差達到10_5時，視計算結果達到穩定，求解收斂。(5)基于定常計算得到穩定的初始流場，再進行非定常計算以獲得離心泵內部非定常流場的信息。非定常計算中旋轉區域與靜止區域的交界面改為瞬態轉靜子(TransientRotor Stator)模型。(6)在非定常結果輸出設置中，將葉輪表面的壓力以*. cgns文件格式輸出作為下一步聲場模擬的激勵源。(7)基于FW-H方程將ANSYS CFX計算出來的載有葉輪表面壓力的*. cgns文件導A LMS Virtual. LabAcoustics進行扇聲源生成,采用周向定義葉片載荷。把葉片截分成10段，并對葉片的壓力波動時間歷程按各部分進行面積積分，得到對應的三個方向的時域力。考慮到外殼的聲散射效果，以模型泵外殼作為邊界計算聲場，其聲學網格在ICEM中生成。再將該聲學網格導入LMS Virtual. LabAcoustics,并選擇求解模型。選擇直接邊界元法計算內外聲場，本方法對模型泵外聲場計算視為單相耦合忽略了外殼的振動作用，外聲場計算介質設為空氣，而內聲場介質設為水。再將生成的扇聲源導入，計算模型泵在頻域中由葉輪葉片引起的內外聲場分布。同時在模型泵內外設置所需場點，以監測和分析其對應的聲輻射特性。(8)在試驗過程中，采用四個B&K公司生產的8103型水聽器對離心泵的進、出口管道進行噪聲測量，以獲得泵內部聲場特征。通過處理分析得出實際泵內聲場特征，并將其與模擬所得結果進行比較。本文檔來自技高網...

【技術保護點】
聯合ANSYS?CFX和LMS?Virtual.Lab?Acoustics求解離心泵內部流動誘導噪聲聲場，提出一種離心泵水力噪聲預測方法。

【技術特征摘要】
1.聯合ANSYS-CFX和LMSVirtual.Lab Acoustics求解離心泵內部流動誘導噪聲聲場，提出一種離心泵水力噪聲預測方法。2.據權利要求1所述的一種離心泵水力噪聲預測方法，其特征在于，包括以下步驟: 2.1根據模型泵的設計圖，應用Pro/E軟件進行三維造型。2.2運用ICEM對計算域進行網格劃分，采用適應性強的非結構化四面體網格，對其三維模型進行網格劃分，并對復雜流動區域進行局部加密。2.3將網格導入ANSYS-CFX軟件求解，采用不可壓雷諾時均方程(RANS)，SST k_ 湍流模型，邊界條件采用速度進口邊界條件，Opening出口邊界條件，采用無滑移壁面函數。在定常計算中旋轉區域(葉輪水體)與靜止區域(葉輪與蝸殼間隙水體)的交界面選取Frozen Rotor模型。得到定常計算結果。非定常計算中旋轉區域與靜止區域的交界面改為Transient Rotor Stator模型。得到非定常計算結果。2.4在非定常結果中，將葉輪表面的壓力以*.cgns文件格式輸出作為下一步聲場模擬的激勵源。3.根據權利要求1所述的一種離心泵水力噪聲預測方法，其特征在于，包括以下步驟: 3.1運用LMS Virtual.LabAcoustics計算離心泵內部流動誘導噪聲聲場，采用DBEM (直接邊界元)作為計算方法,對其聲場封閉求解,求解域...

【專利技術屬性】
技術研發人員：裴吉，袁壽其，王文杰，袁建平，司喬瑞，陽君，
申請(專利權)人：江蘇大學，
類型：發明
國別省市：