一種離心泵水力噪聲預(yù)測(cè)方法

專利名稱：一種離心泵水力噪聲預(yù)測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種計(jì)算機(jī)輔助分析噪聲領(lǐng)域的方法，具體是一種離心泵水力噪聲數(shù)值模擬預(yù)測(cè)方法。
背景技術(shù)：
泵是一種重要的流體輸送設(shè)備，其中離心泵應(yīng)用是最為廣泛的泵之一。離心泵不僅應(yīng)用在化工、水利等工農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，而且應(yīng)用于航空、航海等國防領(lǐng)域。離心泵在運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生噪聲。泵是重大工程的關(guān)鍵設(shè)備，盡可能地減小噪聲具有重要的社會(huì)意義和經(jīng)濟(jì)意義。隨著離心泵的噪聲問題日益受到關(guān)注，其內(nèi)部流動(dòng)誘導(dǎo)噪聲的研究已成為本行業(yè)的重點(diǎn)與難點(diǎn)。基于試驗(yàn)研究周期長(zhǎng)、耗資大，且數(shù)值模擬的方法日益成熟，有必要提出一種準(zhǔn)確和實(shí)用的離心泵內(nèi)部流動(dòng)誘導(dǎo)噪聲的預(yù)測(cè)方法，以便進(jìn)一步深入離心泵內(nèi)部流動(dòng)誘導(dǎo)噪聲機(jī)理研究和低噪聲水力設(shè)計(jì)等。經(jīng)檢索，關(guān)于噪聲預(yù)測(cè)方法相關(guān)的申報(bào)專利有基于半無限流體的轎車車外噪聲分析預(yù)測(cè)方法，申請(qǐng)?zhí)?01019100007.X。一種不同行駛狀態(tài)下的機(jī)動(dòng)車噪聲排放預(yù)測(cè)方法，申請(qǐng)?zhí)?01210019479. 4。一種基于建筑物群密度的室外聲預(yù)測(cè)方法，申請(qǐng)?zhí)?01210060120.1。氣體管路噪聲源特性預(yù)測(cè)方法，申請(qǐng)?zhí)?01210104312. 8。目前這些專利中，還沒有針對(duì)離心泵旋轉(zhuǎn)機(jī)械的噪聲預(yù)測(cè)的專利，并且也沒有關(guān)于離心泵流動(dòng)誘導(dǎo)噪聲的預(yù)測(cè)方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種針對(duì)以離心泵內(nèi)部流動(dòng)誘導(dǎo)噪聲的數(shù)值預(yù)測(cè)方法，同時(shí)，相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證整個(gè)方法預(yù)測(cè)的正確性。該方法能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)離心泵內(nèi)部水力噪聲進(jìn)行快速、較準(zhǔn)確的數(shù)值預(yù)測(cè)，為低噪聲泵的研發(fā)提供技術(shù)支持。聲學(xué)數(shù)值模擬方法采用目前工程中計(jì)算流體誘導(dǎo)噪聲使用最為廣泛的混合法，它把聲學(xué)數(shù)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(chǎng)；第二步，考慮流體的可壓縮性，基于CFD得到的流動(dòng)信息,根據(jù)Lighthill聲比擬理論定義等價(jià)的聲源，進(jìn)而進(jìn)行聲輻射計(jì)算。第一步，根據(jù)模型泵的水力圖，采用Pro/E軟件進(jìn)行三維造型。模型泵全流道分為進(jìn)口流道、進(jìn)口延長(zhǎng)段、口環(huán)、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(yùn)用ICEM軟件對(duì)計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用適應(yīng)性強(qiáng)的非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對(duì)復(fù)雜流動(dòng)區(qū)域進(jìn)行局部加密。第三步，將網(wǎng)格導(dǎo)入ANSYS-CFX軟件求解，采用不可壓雷諾時(shí)均方程(RANS)，SSTk-w瑞流模型,邊界條件根據(jù)計(jì)算工況采用速度進(jìn)口邊界條件，Opening出口邊界條件，采用無滑移壁面函數(shù)。在定常計(jì)算中旋轉(zhuǎn)區(qū)域(葉輪水體)與靜止區(qū)域(葉輪與蝸殼間隙水體)的交界面選取Frozen Rotor模型。在計(jì)算過程中監(jiān)測(cè)殘差收斂，當(dāng)?shù)髿埐钸_(dá)到10_5時(shí)，視計(jì)算結(jié)果達(dá)到穩(wěn)定，求解收斂，得到定常計(jì)算結(jié)果；非定常計(jì)算中旋轉(zhuǎn)區(qū)域與靜止區(qū)域的交界面改為Transient Rotor Stator模型,得到非定常計(jì)算結(jié)果。第四步，在非定常結(jié)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(chǎng)模擬的激勵(lì)源。第五步，將ANSYS CFX計(jì)算出來的載有葉輪表面壓力的*.cgns文件導(dǎo)入LMSVirtual. Lab Acoustics進(jìn)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(duì)葉片的壓力波動(dòng)時(shí)間歷程按各部分進(jìn)行面積積分，得到對(duì)應(yīng)的三個(gè)方向的時(shí)域力?？紤]到外殼的聲散射效果，以模型泵外殼作為邊界計(jì)算聲場(chǎng)，其聲學(xué)網(wǎng)格在ICEM中生成。再將該聲學(xué)網(wǎng)格導(dǎo)入LMS Virtual. Lab Acoustics,并選擇求解模型。選擇直接邊界元法計(jì)算內(nèi)外聲場(chǎng)，本方法對(duì)模型泵外聲場(chǎng)計(jì)算視為單相耦合忽略了外殼的振動(dòng)作用，外聲場(chǎng)計(jì)算介質(zhì)設(shè)為空氣，而內(nèi)聲場(chǎng)介質(zhì)設(shè)為水。再將生成的扇聲源導(dǎo)入，計(jì)算模型泵在頻域中由葉輪葉片引起的內(nèi)外聲場(chǎng)分布。同時(shí)在模型泵內(nèi)外設(shè)置所需場(chǎng)點(diǎn)，以監(jiān)測(cè)和分析其對(duì)應(yīng)的聲輻射特性。本發(fā)明的有益效果是(I)應(yīng)用ANSYS-CFX與LMS Virtual. Lab Acoustics對(duì)離心泵中由葉片表面偶極子源引起的聲場(chǎng)進(jìn)行聯(lián)合求解，并研究其在葉頻處的聲學(xué)特性。(2)預(yù)測(cè)離心泵水力噪聲的數(shù)值模擬方法可以用來做對(duì)比、聲優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。


圖1為模型泵全流場(chǎng)三維造型2為模型泵內(nèi)部流動(dòng)模擬流程3為模型泵流動(dòng)誘導(dǎo)噪聲場(chǎng)數(shù)值模擬流程4為設(shè)計(jì)工況下模型泵外殼聲壓云5為設(shè)計(jì)工況下出口噪聲的試驗(yàn)值與模擬值對(duì)比圖
具體實(shí)施方案下面結(jié)合應(yīng)用實(shí)例附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述(I)應(yīng)用Pro/E軟件對(duì)模型泵進(jìn)行三維造型。模型泵全流道分為進(jìn)口流道、進(jìn)口延長(zhǎng)段、口環(huán)、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(yùn)用ICEM對(duì)計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用適應(yīng)性強(qiáng)的非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對(duì)復(fù)雜流動(dòng)區(qū)域進(jìn)行局部加密。(3)將網(wǎng)格導(dǎo)入ANSYS-CFX軟件，采用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的定常不可壓雷諾時(shí)均方程(RANS)，運(yùn)用SSTk-co湍流模型對(duì)雷諾應(yīng)力項(xiàng)進(jìn)行?；?4)邊界條件根據(jù)計(jì)算工況采用速度進(jìn)口、壓力出口，出口邊界類型設(shè)為Opening，壁面無滑移。在定常計(jì)算中旋轉(zhuǎn)區(qū)域(葉輪水體)與靜止區(qū)域(葉輪與蝸殼間隙水體)的交界面選取轉(zhuǎn)子凍結(jié)(Frozen Rotor)模型。在計(jì)算過程中監(jiān)測(cè)殘差收斂，當(dāng)?shù)髿埐钸_(dá)到10_5時(shí)，視計(jì)算結(jié)果達(dá)到穩(wěn)定，求解收斂。(5)基于定常計(jì)算得到穩(wěn)定的初始流場(chǎng)，再進(jìn)行非定常計(jì)算以獲得離心泵內(nèi)部非定常流場(chǎng)的信息。非定常計(jì)算中旋轉(zhuǎn)區(qū)域與靜止區(qū)域的交界面改為瞬態(tài)轉(zhuǎn)靜子(TransientRotor Stator)模型。(6)在非定常結(jié)果輸出設(shè)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(chǎng)模擬的激勵(lì)源。(7)基于FW-H方程將ANSYS CFX計(jì)算出來的載有葉輪表面壓力的*. cgns文件導(dǎo)A LMS Virtual. LabAcoustics進(jìn)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(duì)葉片的壓力波動(dòng)時(shí)間歷程按各部分進(jìn)行面積積分，得到對(duì)應(yīng)的三個(gè)方向的時(shí)域力?？紤]到外殼的聲散射效果，以模型泵外殼作為邊界計(jì)算聲場(chǎng)，其聲學(xué)網(wǎng)格在ICEM中生成。再將該聲學(xué)網(wǎng)格導(dǎo)入LMS Virtual. LabAcoustics,并選擇求解模型。選擇直接邊界元法計(jì)算內(nèi)外聲場(chǎng)，本方法對(duì)模型泵外聲場(chǎng)計(jì)算視為單相耦合忽略了外殼的振動(dòng)作用，外聲場(chǎng)計(jì)算介質(zhì)設(shè)為空氣，而內(nèi)聲場(chǎng)介質(zhì)設(shè)為水。再將生成的扇聲源導(dǎo)入，計(jì)算模型泵在頻域中由葉輪葉片引起的內(nèi)外聲場(chǎng)分布。同時(shí)在模型泵內(nèi)外設(shè)置所需場(chǎng)點(diǎn)，以監(jiān)測(cè)和分析其對(duì)應(yīng)的聲輻射特性。(8)在試驗(yàn)過程中，采用四個(gè)B&K公司生產(chǎn)的8103型水聽器對(duì)離心泵的進(jìn)、出口管道進(jìn)行噪聲測(cè)量，以獲得泵內(nèi)部聲場(chǎng)特征。通過處理分析得出實(shí)際泵內(nèi)聲場(chǎng)特征，并將其與模擬所得結(jié)果進(jìn)行比較。
權(quán)利要求
1.聯(lián)合ANSYS-CFX和LMSVirtual.Lab Acoustics求解離心泵內(nèi)部流動(dòng)誘導(dǎo)噪聲聲場(chǎng)，提出一種離心泵水力噪聲預(yù)測(cè)方法。
2.據(jù)權(quán)利要求1所述的一種離心泵水力噪聲預(yù)測(cè)方法，其特征在于，包括以下步驟: 2.1根據(jù)模型泵的設(shè)計(jì)圖，應(yīng)用Pro/E軟件進(jìn)行三維造型。
2.2運(yùn)用ICEM對(duì)計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用適應(yīng)性強(qiáng)的非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格，對(duì)其三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對(duì)復(fù)雜流動(dòng)區(qū)域進(jìn)行局部加密。
2.3將網(wǎng)格導(dǎo)入ANSYS-CFX軟件求解，采用不可壓雷諾時(shí)均方程(RANS)，SST k_ 湍流模型，邊界條件采用速度進(jìn)口邊界條件，Opening出口邊界條件，采用無滑移壁面函數(shù)。在定常計(jì)算中旋轉(zhuǎn)區(qū)域(葉輪水體)與靜止區(qū)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(jì)算結(jié)果。非定常計(jì)算中旋轉(zhuǎn)區(qū)域與靜止區(qū)域的交界面改為Transient Rotor Stator模型。得到非定常計(jì)算結(jié)果。
2.4在非定常結(jié)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(chǎng)模擬的激勵(lì)源。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種離心泵水力噪聲預(yù)測(cè)方法，其特征在于，包括以下步驟: 3.1運(yùn)用LMS Virtual.LabAcoustics計(jì)算離心泵內(nèi)部流動(dòng)誘導(dǎo)噪聲聲場(chǎng)，采用DBEM (直接邊界元)作為計(jì)算方法,對(duì)其聲場(chǎng)封閉求解,求解域選擇Frequency (頻域)。應(yīng)用Interior和Exterior來計(jì)算蝸殼內(nèi)部和外部聲場(chǎng),選擇Element選項(xiàng),將邊界條件定義在模型的單元上。采用LMS Virtual.Lab Acoustics中的扇聲源模塊來計(jì)算模型泵中由葉輪旋轉(zhuǎn)引起的偶極子噪聲。
3.2基于FW-H方程將ANSYS CFX計(jì)算出來的載有葉輪表面壓力的*.cgns文件導(dǎo)入LMSVirtual.Lab Acoustics進(jìn)行扇聲源生成,采用周向定義葉片載荷?？紤]到外殼的聲散射效果，以模型泵外殼作為邊界計(jì)算聲場(chǎng)，其聲學(xué)網(wǎng)格在ICEM中生成。再將該聲學(xué)網(wǎng)格導(dǎo)入LMS Virtual.Lab Acoustics,并選擇求解模型。本方法對(duì)模型泵外聲場(chǎng)計(jì)算視為單相I禹合忽略了外殼的振動(dòng)作用，外聲場(chǎng)計(jì)算介質(zhì)設(shè)為空氣，而內(nèi)聲場(chǎng)介質(zhì)設(shè)為水。再將生成的扇聲源導(dǎo)入，計(jì)算模型泵在頻域中由葉輪葉片引起的內(nèi)外聲場(chǎng)分布。同時(shí)在模型泵內(nèi)外設(shè)置所需場(chǎng)點(diǎn)，以監(jiān)測(cè)和分析其對(duì)應(yīng)的聲輻射特性。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種離心泵水力噪聲預(yù)測(cè)方法，其特征在于，本試驗(yàn)采用四個(gè)B&K公司生產(chǎn)的8103型水聽器對(duì)離心泵的進(jìn)、出口管道進(jìn)行噪聲測(cè)量，以獲得泵內(nèi)部聲場(chǎng)特征。通過處理分析得出實(shí)際泵內(nèi)聲場(chǎng)特征，并將其與模擬所得結(jié)果進(jìn)行比較，模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果較一致。分析本文提出的離心泵聲場(chǎng)計(jì)算方法的適用性和準(zhǔn)確性。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種離心泵水力噪聲的預(yù)測(cè)方法。其特征在于，對(duì)模型泵進(jìn)行三維造型，在ANSYS-CFX中計(jì)算得到非定常數(shù)值模擬值，聯(lián)合LMS Virtual.Lab Acoustics求解離心泵內(nèi)部流動(dòng)誘導(dǎo)噪聲聲場(chǎng)?；贚ighthill聲比擬理論提出以葉片表面偶極子作為泵內(nèi)聲源，采用混合法求解離心泵內(nèi)流動(dòng)誘導(dǎo)噪聲聲場(chǎng)的模擬方法。同時(shí)考慮蝸殼聲散射效果，以蝸殼為界建立內(nèi)外聲學(xué)模型。同時(shí)根據(jù)泵內(nèi)流動(dòng)誘導(dǎo)噪聲特性，選擇直接邊界元法對(duì)聲場(chǎng)進(jìn)行求解，研究離心泵在葉頻處及其諧頻處的聲學(xué)特性。該計(jì)算所得聲場(chǎng)隨流量變化的趨勢(shì)能反映模型泵的實(shí)際情況，因此數(shù)值模擬方法可以用來做預(yù)測(cè)離心泵流體誘導(dǎo)噪聲的預(yù)測(cè)方法，同時(shí)對(duì)低噪聲離心泵的設(shè)計(jì)提供理論設(shè)計(jì)依據(jù)。
文檔編號(hào)G06F17/50GK103077292SQ20131003255
公開日2013年5月1日 申請(qǐng)日期2013年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月16日
發(fā)明者裴吉, 袁壽其, 王文杰, 袁建平, 司喬瑞, 陽君 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)