基于流聲耦合法的離心泵空化流動噪聲特性研究*

周云龍 呂遠征

(東北電力大學 a.能源與動力工程學院；b.自動化工程學院)

基于流聲耦合法的離心泵空化流動噪聲特性研究*

周云龍*a呂遠征b

(東北電力大學 a.能源與動力工程學院；b.自動化工程學院)

利用流聲耦合法對離心泵的水動力噪聲進行數值模擬，研究汽蝕發展程度對水動力噪聲的影響。流聲耦合方法選擇大渦模擬(Large Eddy Simulation，LES)和全空化模型對離心泵流場進行非定常計算，再以聲學有限元混合方法(CFD/FEM)將流場信息轉化為噪聲信號。通過對比試驗可知，模擬信號與實際信號吻合度較高，充分驗證了方法的可行性。隨后改變模擬條件，使汽蝕從無到嚴重發展，從而得到一系列流場云圖和水動力噪聲信號。結果表明，初生期汽蝕的形成過程可劃分為3個階段，各階段的流場云圖均存在較大差異，噪聲頻譜也有區別。汽蝕發展程度可以在水動力噪聲頻譜上得以體現，尤其在臨界汽蝕余量點附近，噪聲頻譜趨勢圖存在明顯特征。

離心泵 汽蝕 水動力噪聲 CFD 故障診斷

文章適合運用大渦模擬方法(LES)[2]求解各個工況下的非定常流動，它將湍流中大小尺度脈動區分開來，大尺度結構依舊進行完全模擬，而用亞格子應力(SGS)模型求解小尺度脈動[3]，在保證精度的同時有效降低了計算量。水動力噪聲主要由湍流與固體邊界耦合誘發引起，偶極子聲源為主要組成部分，也包含一定的單極子、四極子聲源項[4]。汽蝕故障形成的空化流動使得葉輪內流場發生改變，根據Lighthill聲類比理論，這會導致水動力噪聲發生改變[5,6]。建立兩者的對應聯系與規律，就可以通過分析水動力噪聲來判斷是否發生汽蝕，這對工程應用具有重要意義。

1 離心泵參數

筆者對某公司ISWB65-160型臥式離心泵(圖1)進行水動力噪聲的數值模擬和驗證試驗，工作環境25℃，輸送工質為清水，額定流量Q=25m3/h，額定轉速n=2900r/min，額定揚程H=32m，入口直徑D1=65mm，出口直徑D2=65mm，葉輪直徑d=160mm，封閉式葉輪形式，設置5片葉片，出口寬度b2=10.6mm。

圖1 ISWB65-160型臥式離心泵

利用SolidWorks2014對離心泵工質過流區域進行幾何造型，為了更好地對流場、聲場數值模擬進行劃分網格，需要對造型進行適當的簡化與修改(圖2)。

圖2 簡化后的離心泵幾何造型

2 流場計算

2.1模擬方法

流聲耦合需要CFD數據，筆者利用大渦模擬方法進行求解。大渦模擬方法的控制方程是通過一定的濾波算法將NS方程濾波，尺度小于濾波寬度的小渦將被過濾掉，只對大于濾波寬度的渦進行完全求解，小尺度渦用亞格子模型專門求解。濾波后的連續性方程表示為：

(1)

NS方程可以表示為：

(2)

電動汽車參與運行備用的能力評估及其仿真分析//吳巨愛,薛禹勝,謝東亮,岳東,文福拴,趙俊華//(13):101

亞格子模型選用壁掛式本地渦粘度模型[7](WALE)，方程如下：

(3)

Ls=min(kd,CωV1/3)

(4)

(5)

(6)

2.2空化模型

Singhal模型是簡化的Rayleigh-Plesset(R-P)方程的空化模型之一[8]，可以較好地與均質多相模型耦合對空化過程進行求解[9]，其主要方程如下：

(7)

(8)

其中，Ce=0.02，Cc=0.01。

2.3計算方法

使用STAR-CCM+9.02軟件模擬離心泵內三維流場，網格分為兩個計算域：葉輪區域與蝸殼區域。利用STAR-CCM+獨有的非結構化12面體網格對幾何造型進行劃分，葉輪區域需要對葉片根部進行適當加密，網格數量為151 243，如圖3a所示，蝸殼部分要對蝸舌附近進行適當加密，網格數量為31 112，如圖3b所示。

a. 葉輪 b. 蝸殼

圖3 葉輪與蝸殼網格劃分

葉輪區域為滑動網格，設置通過interface與蝸殼區域連接，利用網格節點隨時間真實運動來進行模擬，設定葉輪每轉過1°所用時間Δt為一個時間步，則Δt=0.5747μs，定常計算時采用k-ε湍流模型，非定常計算采用大渦模擬方法。離心泵入口設定為靜止壓力入口，出口為質量流量出口，通過改變入口壓力來控制汽蝕的劇烈程度[10]，所有的計算區域均設定壁面設定為無滑移壁面條件。非定常模擬中每個時間步內部迭代100次，設置殘差收斂于10-4，設置收斂后每隔0.001s導出一次流場數據，供生成泵內氣液相云圖和模擬噪聲。

3 聲場計算

3.1Lighthill聲類比變分式

流聲耦合進行聲場計算還需要利用基于有限元的Lighthill聲類比變分式來提取聲源，其主要方程如下：

(9)

3.2計算方法

利用ACTRAN軟件提取流場信息，進行聲學有限元聲傳播計算，聲學網格分為葉輪、蝸殼、殼外有限元部分和遠場無限元部分4部分。葉輪和蝸殼內為水，蝸殼設置為薄殼，賦予鑄鐵HT250材料，當量厚度5mm，殼外有限元賦予空氣。葉輪部分簡化為面聲源，蝸殼部分設置為體聲源，并且在蝸舌處設置場點記錄噪聲，聲傳播網格如圖4所示。

圖4 聲傳播網格

4 模型驗證

對ISWB65-160離心泵的額定工況進行數值計算，設定入口壓力101kPa(有效汽蝕余量NPSHa=10.10m)，出口質量流量為6.944kg/s，25℃清水臨界壓力為3 167Pa。流場的采樣頻率為2 000Hz，即噪聲信號范圍為0～1 000Hz。同時對離心泵進行同等條件的試驗，在水泵蝸舌表面安置聲音傳感器，并對信號進行降噪、增益處理，參考聲壓級PREF=10-5Pa,采樣頻率同樣設定為2 000Hz。對兩種方式得到的聲音信號作傅里葉變換，并作對比(圖5)。驗證明，離心泵主要特征參數對比見表1。

圖5 結果對比圖

表1 離心泵主要特征參數對比表

從圖5可以看出，數值計算的結果在整體趨勢基本上與試驗結果相同，屬于離散噪聲的工頻、葉片通過頻率及其倍頻均得到很好的體現，寬頻帶的各個頻率分布也比較接近實際信號。表1對幾個特征參數進行了更具體的對比，揚程、流量、臨界汽蝕余量(NPSHc)均與試驗值差距不大，噪聲的幾個主要頻率中，48、241、482Hz分量模擬值的誤差均在2%以下，724Hz分量與964Hz分量的誤差上升，這與文獻[11]所描述的情況類似。通過分析，造成誤差上升主要有兩方面原因，一方面流聲耦合是計算流體力學與氣動噪聲學的交叉學科，模型的相互調用需要作出一些簡化與假設，理論上正確但會對計算結果造成一定的影響[12]；另一方面，964Hz頻段已經接近聲音傳感器的截斷頻率，一定會產生部分失真，實際的聲壓級應該比試驗結果要更高一些。綜上所述，流聲耦合模型基本符合客觀事實，可以進行下一步計算。

5 數值計算結果

5.1典型氣相云圖及噪聲頻譜

模型確定后，利用數值模擬成本低、周期短和容易模擬非常規條件的特點，從101kPa開始逐漸降低入口壓力，分別生成流場云圖和噪聲頻譜。在模擬的過程中可以發現，初生期汽蝕的云圖按有效汽蝕余量NPSHa的不同基本可以分為3類：NPSHa=11.00m時(正常工況)，整個離心泵只有部分葉片根部間歇性的出現微小汽泡，氣泡生成與潰滅過程極短，氣相所占最大百分比僅為2.27%(圖6a)，噪聲頻譜整體聲壓級比較低，峰值在葉片通過頻率處(圖6b)；NPSHa=1.75m時(微汽蝕工況)，所有葉片根部均開始出現空化流動，流道雖未開始阻塞但是入口處含氣率上升，靠近蝸舌出的葉片根部最大體積含氣率可達73%，此時揚程下降接近3%，氣相分布如圖7a所示，噪聲聲壓級整體上升，觀察其頻譜發現峰值出現在482Hz處(圖7b)；NPSHa=1.50m時(典型汽蝕工況)，氣泡的產生與潰滅過程非常劇烈，且汽泡開始阻塞流道，嚴重時會完全阻塞葉輪，此階段揚程會大幅下降，多處位置體積含氣率接近87%，離心泵已經不能正常工作，氣相分布如圖8a所示，噪聲整體聲壓級繼續提高，高頻分量增長幅度最大，如圖8b所示。

a. 氣相分布

b. 噪聲頻譜

a. 氣相分布

b. 噪聲頻譜

a. 氣相分布

b. 噪聲頻譜

顯然，隨著NPSHa的降低，離心泵內的流型會發生明顯的改變，水動力噪聲也同時會發生改變。

5.2噪聲頻譜變化趨勢

對正常工況、微汽蝕工況和典型汽蝕工況繼續細化研究，著重在NPSHc點附近選取更多工況進行模擬，生成工頻、葉片通過頻率及其倍頻的幅值隨入口壓力變化曲線如圖9a所示，建立揚程與入口壓力變化曲線如圖9b所示。

a. 聲壓級 b. 揚程

通過圖9可以看到，當離心泵入口壓力大于2.1kPa時屬于正常工況，揚程幾乎沒有變化，在這個范圍內水動力噪聲的整體聲壓級是隨著入口壓力的減少而緩慢降低的，只有482Hz頻率分量不斷地上升。當入口壓力小于2.1kPa，進入早期汽蝕工況，葉輪內開始有少量氣泡產生與膨脹，導致壓力增大使得揚程略微增加，同時噪聲各個頻率分量均發生明顯變化，48、724Hz分量下降后又迅速上升，482Hz頻率分量聲壓級變化速率開始減緩。達到臨界汽蝕(虛線處)附近后，微小氣泡對流場的影響開始加速，由于入口受到微小氣泡的阻塞，揚程下降約3%，所有的頻率分量的變化率明顯增加。入口壓力低于1.7kPa后，進入典型汽蝕工況，葉輪內流型較之前完全不同，各個流道均被氣泡造成不同程度的阻塞，揚程等性能參數大幅度下降。水動力噪聲頻譜的峰值分布也隨之發生變化，除整體聲壓級大幅度上升以外，各個主要頻率的聲壓級發生了跳躍性的改變。

6 結束語

筆者利用STAR-CCM+9.02軟件，采用大渦模擬方法與全空化模型計算離心泵內各個工況的流場，再利用ACTRAN軟件，采用CFD/FEM混合方法將流場轉化為聲場完成流聲耦合。首先對額定工況下的蝸舌處的水動力噪聲進行模擬，模型驗證成功后，通過改變入口壓力計算了汽蝕從無到有的各個工況下的水動力噪聲，并可知：流聲耦合方法可以模擬離心泵在不同汽蝕程度下的水動力噪聲，模擬結果與試驗結果吻合度較好；結合數值模擬，將汽蝕故障的形成過程劃分為3個階段，并得出各階段噪聲的主要頻率變化趨勢；離散噪聲成分在NPSHc點附近存在較大變化，可作為診斷汽蝕故障的依據。

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ResearchonCavitatingFlow-inducedNoiseCharacteristicsofCentrifugalPumpsBasedonFluid-AcousticCouplingMethod

ZHOU Yun-longa, LV Yuan-zhengb

(a.SchoolofEnergyandPowerEngineering;b.SchoolofAutomation,NortheastDianliUniversity,Jilin132012,China)

The fluid-acoustic coupling method was used to simulate hydrodynamic noise of centrifugal pumps and to investigate cavitation effect on hydrodynamic noise, in which, the fluid-acoustic coupling method adopts LES (large eddy simulation) and full-cavitation model to implement unsteady calculation in the pump flow field, and then employing CFD/FEM method to transform flow field information into the noise signal. The contrast test shows that the computational signals coincide better with experimental results and this proves the feasibility of this method. Changing simulation conditions and developing cavitations to get a series of flow maps and signals show that three stages can be seen in forming process of early cavitations which has different flow maps and noise signals; and the development of cavitations can be reflected in spectrums of the noise, especially near NPSH’s critical point where the noise spectrum’s trend chart has obvious features.

centrifugal pump, cavitation, hydrodynamic noise, CFD, fault diagnosis

TQ051.21

A

0254-6094(2016)01-0083-06

*吉林省科技發展計劃項目(20130206008GX)。

**周云龍，男，1960年2月生，教授。吉林省吉林市，132012。

2015-03-08，

2016-01-17)