CN106503323B - 一种多级离心泵流动诱导结构辐射噪声数值预测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多级离心泵流动诱导结构辐射噪声数值预测方法：进行外特性实验，得到流场计算所需的边界条件；对多级离心泵流场计算域造型并进行网格划分，采用CFD方法，利用外特性实验取得的边界条件进行流场定常计算，将流场计算的结果与外特性实验结果进行对比,验证数值计算域和边界条件的准确性；进行多级离心泵结构域三维造型，并建立多级离心泵结构辐射噪声声学模型；从非定常流场计算结果中导出结构壁面压力信息，加载到结构体上，进行辐射噪声计算。本发明应用于低噪声多级离心泵优化设计，可以缩短多级泵研发设计周期，节约成本，提高低噪声多级泵设计效率和质量。

Description

一种多级离心泵流动诱导结构辐射噪声数值预测方法
技术领域
本发明涉及一种多级泵辐射噪声数值预测方法，特别是一种多级离心泵流动诱导结构振动辐射噪声数值预测方法，解决传统低噪声离心泵研发周期长、成本高、效率低的问题。
技术背景
多级离心泵作为输送液体和增压的重要设备，广泛应用于国民经济的各个领域。由于多级泵叶轮和导叶之间的动静干涉作用，且还存在着强烈的级间耦合作用，多级离心泵内部流动复杂，压力脉动的强度较大，最终表现为泵体结构振动并向外辐射噪声。特别是在高层住宅区和工作场所等人员集中的地方，泵的辐射噪声对人们的身心健康、生活和工作带来很大影响，因此人们更关心如何降低泵的辐射噪声水平。随着居民生活水平的提高和城市化建设步伐的加快，人们对噪声问题提出越来越严格的要求，因此，降低多级离心泵辐射噪声已经成为多级泵领域亟待解决的重要问题。
目前关于离心泵声学预测方法主要分为直接法和间接法。直接法就是直接求解N-S方程以获得流场和声场物理量，该方法不需要额外引入声学模型，但该方法求解的计算量巨大，对网格和计算机性能要求很高，在实际应用中很难实现。间接法也称类比法，主要是通过流场计算得到声场计算所需的等效声源，然后利用声源信息求解声学波动方程以得到声场解。相比于直接法，声类比法的计算量相对较小，对网格及湍流模型要求均相对较低。在离心泵声学预测方面，大多数的研究关注于水力噪声方面，即流动噪声预测，如专利申请号为201310503029.7公开了一种离心泵流动诱导噪声数值预测方法，但该专利只计算了流体内的噪声传播问题，没有考虑结构振动辐射出来的噪声问题，在实际工程中的实用性并不强。
经检索，关于多级离心泵流动诱导结构辐射噪声数值预测方法没有相关报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种多级离心泵流动诱导结构辐射噪声数值预测方法。该方法基于外特性实验结果以提高离心泵噪声预测的准确度。将该数值预测方法应用于低噪声多级离心泵优化设计，可以解决传统离心泵噪声预测值只考虑流动噪声而忽视结构振动辐射噪声问题，缩短研发周期、降低成本。
为了解决以上技术问题，本发明所采用的具体技术方案如下：
一种多级离心泵流动诱导结构辐射噪声数值预测方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一，采用分离涡湍流模型进行流场非定常计算，得到更精确的适合声学计算的声源信息；
步骤二，输出流体域与结构域交界面上的压力脉动信息，并通过积分插值的方法将交界面上的压力脉动信息加载到声学网格上；
步骤三，利用ACTRAN中Vibro-Acoustic模块进行多级离心泵结构振动辐射噪声计算。
所述步骤一具体包括以下过程：
过程1.1，对模型泵进行外特性实验，得到泵进出口压力和流量值，将进出口压力和流量值作为流场定常计算的边界条件；
过程1.2，对模型泵流体计算域进行三维建模、网格划分，将外特性实验获得的数据作为流场定常计算的边界条件，进行定常计算，得到模型泵的外特性模拟结果；
过程1.3，将流场定常计算的外特性模拟结果与外特性实验结果进行对比，如果两者相差大于5％，则回到过程1.2修改计算域模型或调整所述网格的质量和数量；
过程1.4，如果模型泵外特性模拟结果与外特性实验结果相符即相差小于5％，则在流场定常计算基础上，继续进行流场非定常计算；
所述流场非定常计算过程为：选择分离涡湍流模型DES，根据要分析的频率范围和频率分辨率，设置非定常计算的总时间及时间步长；非定常计算中每计算一步输出一个瞬态结果文件.trn；同时输出流场计算域网格信息；所述瞬态结果文件包含压力、速度和密度等流场信息；
过程1.5，流场非定常流场计算结束后，在CFX求解器中以.ensight格式输出声学计算所需要的声源信息。
所述步骤二具体包括以下过程：
过程2.1，对模型泵结构部分进行三维造型并划分网格，分离出流体与结构接触面上的面网格，并单独命名；
过程2.2，在所述过程2.1的基础上，建立多级离心泵流动诱导结构振动辐射噪声声学模型，包括内部结构域和外部空气域；
过程2.3，利用ACTRAN中Flow Mesh Model功能提取过程2.1中所述流体与结构接触面上的压力脉动信息；
过程2.4，通过ACTRAN-iCFD模块对对流场非定常计算导出的声源信息进行傅里叶变换，将所述声源信息从时域转换到频域，并将频域声源信息从流体域网格通过积分插值的方法插入到结构部分的声学网格上。
所述步骤三具体包括以下过程：
过程3.1，导入声学网格到ACTRAN中，并创建直接频率响应分析，定义材料属性及边界条件，设置声学监测场点和云图输出位置，输出.edat文件，选择Mumps求解器进行声学计算；
过程3.2，声学计算完成后，在ACTRAN-VI中进行后处理，查看云图结果，在ACTRAN-PLTViewer中查看场点声压级频谱及指向性曲线。
本发明的有益效果是：本发明通过将多级离心泵流动诱导结构辐射噪声数值计算结果应用于多级离心泵低噪声设计，能有效缩短低噪声产品的研发周期，节约研发成本，减少传统低噪声产品研发中的试验次数，有效提高产品设计研发效率和质量。本发明中流场和声场网格之间数据传递通过积分插值方法进行，可以利用全部节点信息，避免造成信息丢失，提高预测的准确性。
附图说明
图1为多级离心泵流动诱导结构振动辐射噪声数值预测流程图；
图2为声学计算流程图；
图3为多级离心泵流动诱导结构振动辐射噪声声学计算模型；
图4为流场计算输出声源信息的头文件(.ensight)；
图5为流场网格到声场网格的两种插值方法；
图6多级离心泵实验台；
图7为多级离心泵辐射噪声总声压级数值计算与实验结果对比。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步详细说明。
(1)以一台M220-7-12多级离心泵作为模型泵来进行多级离心泵流动诱导结构辐射噪声数值预测，整个预测流程如图1所示。首先，在半消声室内搭建多级离心泵实验台,如图6所示。
其次进行多级离心泵外特性实验，得到流场数值计算所需的边界条件，如进口压力和出口流量，同时得到模型泵扬程、效率、轴功率随流量变化曲线；
(2)模型泵外特性实验得到的边界条件为：设计流量下，泵进口压力为103KPa，泵出口流量为8.01m3/h；
(3)对模型泵流体计算域进行三维建模、划分结构化网格，流体域总网格数约为700万，导入网格到CFX中进行前处理设置，利用外特性实验取得的边界条件进行定常计算；
(4)将流场数值计算结果与实验结果进行对比，如果模拟和实验结果误差值大于5％，则数值计算不可信，需返回修改数值计算模型；
(5)如果模拟结果和实验结果在5％以内，则数值计算可信；
(6)在流场定常计算基础上，根据所需要分析的频率范围和频率分辨率，设置非定常计算的总时间为0.17143s，即叶轮旋转8圈的时间，时间步长为1.7857×10-4s，即叶轮转过3°的时间；
(7)流场非定常计算选用的湍流模型为分离涡模型(DES)；
(8)流场非定常计算时需要输出每一步的瞬态计算结果，输出变量包括：压力、速度、密度和流体域网格信息；
(9)非定常计算结束后，在CFX-Solve中利用非定常计算结果文件，输出每一步的流场信息到.ensight文件中，头文件如图4所示；
(10)建立多级离心泵结构部分三维模型，由于多级泵结构较为复杂，用非结构网格进行网格划分，结构部分网格总数约为61万；
(11)提取出多级泵结构上流体与结构接触面网格，并单独命名为Solid-Face；
(12)建立多级离心泵流动诱导结构振动辐射噪声声学模型，包括内部结构域Structure和外部空气域Air，如图3所示；
(13)对步骤11建立的声学模型进行网格划分，根据空气中声速和所要分析的最大频率，计算出声波波长，保证每个波长范围内至少有6个网格节点；
(14)将步骤10中建立的流体与结构接触面Solid-Face导入ACTRAN中，利用FlowMesh Model提取该面上的压力脉动信息；
(15)通过ACTRAN iCFD模块进行傅里叶变换，首先从.ensight文件中提取声源信息到时域文件time.nff中，然后从time.nff文件中提取时域信息到频域文件frequency.nff中；
(16)保存步骤14设置的iCFD计算文件，利用ACTRAN Mumps求解器进行iCFD计算，并通过积分插值的方法将流体与固体结构接触面上的声源信息插值到结构域上，如图5所示
(17)导入步骤12划分的声学计算网格模型到ACTRAN中，创建直接频率响应分析，定义各部分材料属性，设置约束，加载频域声源，设置输出云图和声学监测场点；
(18)保存步骤16设置的声学计算文件(.edat)，通过ACTRAN Mumps求解器进行声传播计算，声学计算流场图如图2所示；
(19)声学计算结束后，在ACTRAN VI中查看各部分云图，在ACTRANPLTViewver中查看场点声压级和频谱曲线。
(20)最终声学预测的辐射噪声与实验结果如图7所示，可以看出本发明提供的预测方法准确性较高。

Claims (1)

1.一种多级离心泵流动诱导结构辐射噪声数值预测方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一，采用分离涡湍流模型进行流场非定常计算，得到更精确的适合声学计算的声源信息；
步骤二，输出流体域与结构域交界面上的压力脉动信息，并通过积分插值的方法将交界面上的压力脉动信息加载到声学网格上；
步骤三，利用ACTRAN中Vibro-Acoustic模块进行多级离心泵结构振动辐射噪声计算；
所述步骤一具体包括以下过程：
过程1.1，对模型泵进行外特性实验，得到泵进出口压力和流量值，将进出口压力和流量值作为流场定常计算的边界条件；
过程1.2，对模型泵流体计算域进行三维建模、网格划分，将外特性实验获得的数据作为流场定常计算的边界条件，进行定常计算，得到模型泵的外特性模拟结果；
过程1.3，将流场定常计算的外特性模拟结果与外特性实验结果进行对比，如果两者相差大于5%，则回到过程1.2修改计算域模型或调整所述网格的质量和数量；
过程1.4，如果模型泵外特性模拟结果与外特性实验结果相符即相差小于5%，则在流场定常计算基础上，继续进行流场非定常计算；
所述流场非定常计算过程为：选择分离涡湍流模型DES，根据要分析的频率范围和频率分辨率，设置非定常计算的总时间及时间步长；非定常计算中每计算一步输出一个瞬态结果文件.trn；同时输出流场计算域网格信息；所述瞬态结果文件包含压力、速度和密度等流场信息；
过程1.5，流场非定常流场计算结束后，在CFX求解器中以.ensight格式输出声学计算所需要的声源信息；
所述步骤二具体包括以下过程：
过程2.1，对模型泵结构部分进行三维造型并划分网格，分离出流体与结构接触面上的面网格，并单独命名；
过程2.2，在所述过程2.1的基础上，建立多级离心泵流动诱导结构振动辐射噪声声学模型，包括内部结构域和外部空气域；
过程2.3，利用ACTRAN中Flow Mesh Model功能提取过程2.1中所述流体与结构接触面上的压力脉动信息；
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