董　亮, 代　翠, 孔繁余, 付　磊, 夏　斌(.江蘇大學(xué) 流體機(jī)械工程技術(shù)研究中心，江蘇　鎮(zhèn)江　0； . 江蘇大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇　鎮(zhèn)江　0；.四川理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，四川　自貢　64000)

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離心泵作透平流體誘發(fā)外場(chǎng)噪聲特性及貢獻(xiàn)分析

董亮1, 代翠2, 孔繁余1, 付磊3, 夏斌1(1.江蘇大學(xué) 流體機(jī)械工程技術(shù)研究中心，江蘇鎮(zhèn)江212013； 2. 江蘇大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212013；3.四川理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，四川自貢6430003)

摘要：以某離心泵作透平為研究對(duì)象，對(duì)流體誘發(fā)的外場(chǎng)噪聲特性進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)研究。在典型流量下，采用雷諾時(shí)均方法獲取壁面偶極子聲源，并利用FEM/AML方法求解出葉輪和殼體偶極子源作用的流動(dòng)噪聲，基于聲振耦合法計(jì)算出流體激勵(lì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)產(chǎn)生的外場(chǎng)流激噪聲，分析不同性質(zhì)噪聲源的頻譜特性，同時(shí)評(píng)估外場(chǎng)聲源在各個(gè)頻段下的貢獻(xiàn)量。借助模態(tài)試驗(yàn)對(duì)透平殼體結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)進(jìn)行了識(shí)別。結(jié)果表明，計(jì)算與試驗(yàn)振型近似，固有頻率平均相對(duì)誤差小于4.60%。結(jié)構(gòu)的影響使得外場(chǎng)五階葉頻處聲壓最高，二階葉頻處次之。殼體偶極子作用的流激噪聲對(duì)外場(chǎng)噪聲的貢獻(xiàn)最大，其次是殼體偶極子作用的流動(dòng)噪聲，葉輪偶極子作用的流激噪聲對(duì)外場(chǎng)噪聲貢獻(xiàn)最小。研究結(jié)果為低噪聲葉輪機(jī)械設(shè)計(jì)提供了一定的參考。

關(guān)鍵詞：離心泵作透平；流體誘發(fā)噪聲；流動(dòng)噪聲；流激噪聲；外場(chǎng)噪聲

離心泵是完全可逆式旋轉(zhuǎn)機(jī)械，其反轉(zhuǎn)作透平運(yùn)行可將高壓液體富有的壓力能轉(zhuǎn)化為透平轉(zhuǎn)子的機(jī)械能，實(shí)現(xiàn)能源的回收利用[1-4]，廣泛應(yīng)用于石油、化工以及小型水電等領(lǐng)域。對(duì)離心泵作透平而言，作用于葉輪和殼體壁面的壓力脈動(dòng)不僅是重要的流動(dòng)噪聲源，同時(shí)也誘發(fā)葉輪和殼體結(jié)構(gòu)的振動(dòng)噪聲，即流激噪聲[5-7]。流動(dòng)和流激噪聲屬于流體誘發(fā)噪聲，涉及流體、結(jié)構(gòu)和聲場(chǎng)非常復(fù)雜的相互作用。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)流體誘發(fā)噪聲的研究主要集中于探究?jī)?nèi)場(chǎng)流動(dòng)噪聲產(chǎn)生的機(jī)理及特性上[8-13]，關(guān)于旋轉(zhuǎn)機(jī)械流激噪聲的研究較少，不同性質(zhì)噪聲源的識(shí)別及其在外場(chǎng)噪聲中的貢獻(xiàn)更未涉及。但在管路、汽車、螺旋槳等結(jié)構(gòu)中已有相應(yīng)考慮流體載荷結(jié)構(gòu)輻射噪聲的研究[14-17]，具有很大的參考價(jià)值。

流體誘發(fā)噪聲數(shù)值計(jì)算法基于波動(dòng)方程，能夠準(zhǔn)確地求解中低頻激勵(lì)作用下復(fù)雜結(jié)構(gòu)的聲振特性[18]。該方法對(duì)結(jié)構(gòu)一般采用有限元法進(jìn)行離散，對(duì)流體介質(zhì)的處理可采用有限元法(Finite Element Method，F(xiàn)EM)、邊界元法(Boundary Element Method，BEM)等。不同于內(nèi)部聲學(xué)問題分析，外場(chǎng)輻射聲學(xué)計(jì)算的主要挑戰(zhàn)在于如何處理無(wú)界物理域，即Sommerfeld輻射條件的實(shí)現(xiàn)。采用邊界元法處理外聲場(chǎng)輻射問題時(shí)，需要求導(dǎo)奇異Green函數(shù)積分，因而生成邊界元矩陣的時(shí)間較長(zhǎng)。相對(duì)而言，聲學(xué)有限元法是計(jì)算輻射聲學(xué)的一種有效方法[19,21]。而另一方面，離心泵作透平內(nèi)外介質(zhì)不一致，現(xiàn)有間接邊界元方法將內(nèi)外設(shè)置為相同介質(zhì)同時(shí)求解，從而造成計(jì)算失真。

對(duì)全部無(wú)限域流場(chǎng)進(jìn)行離散是不現(xiàn)實(shí)的，通常建立一個(gè)包圍振動(dòng)結(jié)構(gòu)的凸?fàn)盍黧w域來(lái)進(jìn)行截?cái)?。這就存在一個(gè)問題，較小的流體截?cái)嘁?guī)模可以提高計(jì)算的效率，但會(huì)在截?cái)嗄Ｐ偷倪吔缟戏瓷漭^多聲波；而太大的流體截?cái)嘁?guī)模勢(shì)必大大增加流體單元的數(shù)目，降低數(shù)值計(jì)算預(yù)測(cè)的效率，甚至導(dǎo)致計(jì)算無(wú)法完成[22]。自動(dòng)匹配層(Automatically Matched Layer)技術(shù)可以將無(wú)界區(qū)域轉(zhuǎn)變?yōu)橐?guī)模很小的有界區(qū)域，很好地解決了計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力有限及計(jì)算效率的問題。不僅如此，AML技術(shù)無(wú)需建立匹配層區(qū)域網(wǎng)格單元，LMS Virtual.Lab軟件會(huì)根據(jù)結(jié)構(gòu)有限元區(qū)域自動(dòng)產(chǎn)生匹配層單元域，并且單元域會(huì)根據(jù)分析頻率的變化而變化，滿足了分析頻率的上下限要求。因而大大減小了工作人員的工作量，求解效率也有所提高。

本文基于偶極子聲源、聲學(xué)有限元與結(jié)構(gòu)有限元理論，在對(duì)殼體結(jié)構(gòu)自由模態(tài)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，提取葉輪和殼體壁面的偶極子源，結(jié)合FEM/AML技術(shù)獲取不同聲源作用下的外場(chǎng)流動(dòng)與流激噪聲，研究不同性質(zhì)噪聲源的頻譜特性及其輻射聲場(chǎng)的空間分布情況，以期揭示外場(chǎng)不同性質(zhì)噪聲在各個(gè)頻段下的貢獻(xiàn)量。

1離心泵作透平流體誘發(fā)噪聲計(jì)算

1.1幾何模型

以一臺(tái)單級(jí)離心泵反轉(zhuǎn)作透平為研究對(duì)象，透平設(shè)計(jì)參數(shù)為：流量90 m3/h，水頭35 m，轉(zhuǎn)速1 500 r/min，比轉(zhuǎn)速60。透平的流體計(jì)算域與殼體結(jié)構(gòu)如圖1所示。殼體結(jié)構(gòu)包括泵體、端蓋、懸架及支腳，由于該結(jié)構(gòu)是為振動(dòng)模態(tài)和噪聲分析做準(zhǔn)備，不需要了解局部特性與應(yīng)力情況，故建模時(shí)僅保留了具有較大法向輻射面積的結(jié)構(gòu)特征，舍去了凸臺(tái)、過(guò)渡圓角等細(xì)小結(jié)構(gòu)，填充了結(jié)構(gòu)表面的“孔洞”，如注水孔，排水孔、端蓋面等。模型透平的葉輪及蝸殼主要結(jié)構(gòu)參數(shù)(按泵工況命名)，如表1所示。

圖1　離心泵作透平流體計(jì)算域及殼體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Sketch offluid computational domain and casing strucutre in centrifugal pump as turbine

參數(shù)數(shù)值葉輪進(jìn)口直徑D1/mm102葉輪出口直徑D2/mm255葉輪出口寬度b2/mm14進(jìn)口安放角β1/(°)19.5出口安放角β2/(°)20葉片數(shù)z6葉片包角φ/(°)130蝸殼基圓直徑D3/mm266蝸殼出口寬度b3/mm26蝸殼出口直徑D4/mm65

1.2流場(chǎng)計(jì)算

全流場(chǎng)計(jì)算域除進(jìn)出水管外，還包括蝸殼、葉輪、泄露流道三部分，如圖1(a)所示。

圖2　全流場(chǎng)計(jì)算域及網(wǎng)格Fig.2 Computational domain and mesh in whole flow field

采用Gambit生成3套非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，通過(guò)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)后選擇，當(dāng)網(wǎng)格總數(shù)2 600 000左右時(shí)，所求得的水頭波動(dòng)小于0.5%，最終網(wǎng)格如圖2所示。應(yīng)用CFX軟件計(jì)算泵作透平內(nèi)三維不穩(wěn)定流動(dòng)。采用多重坐標(biāo)系，葉輪流場(chǎng)在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中計(jì)算，其余流道在靜止坐標(biāo)系中。在動(dòng)靜部件間使用交界面進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，對(duì)于穩(wěn)態(tài)計(jì)算，使用凍結(jié)轉(zhuǎn)子交界面(Fronzen rotor interface)；對(duì)瞬態(tài)計(jì)算，采用瞬態(tài)動(dòng)靜交界面(Transient Rotor/stator interface)。進(jìn)口設(shè)置為靜壓進(jìn)口，出口設(shè)置為質(zhì)量出口[23]。計(jì)算域中所有表面都采用無(wú)滑移壁面條件，粗糙度按實(shí)際加工精度設(shè)置為50 μm。湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，計(jì)算精度為10-5。為足夠分辨內(nèi)部流場(chǎng)的非定常信息，時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為1.1111×10-4s，即每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)葉輪轉(zhuǎn)過(guò)約1°[24]。

1.3外場(chǎng)計(jì)算方法

根據(jù)流體誘導(dǎo)噪聲的方式，離心泵作透平外場(chǎng)噪聲主要有：① 內(nèi)部流體偶極子源產(chǎn)生的流動(dòng)噪聲通過(guò)殼體向外部的傳播，可稱為外場(chǎng)流動(dòng)噪聲；② 偶極子聲源輻射聲到結(jié)構(gòu)上，引起結(jié)構(gòu)振動(dòng)進(jìn)而向外部流場(chǎng)空間輻射噪聲，即外場(chǎng)流激噪聲。葉輪旋轉(zhuǎn)偶極子產(chǎn)生的流激噪聲極小，忽略不計(jì)。

離心泵作透平內(nèi)部介質(zhì)為水，外部介質(zhì)為空氣，而邊界元方法內(nèi)外聲場(chǎng)只能定義一種介質(zhì)，故本文采用聲學(xué)有限元方法求解；考慮到結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)，基于FEM/AML的聲振耦合方法，求解外場(chǎng)流動(dòng)噪聲及流激噪聲特性。采用LMS Virtual.Lab 12求解殼體偶極子作用的外場(chǎng)流激噪聲，計(jì)算流程為：① 采用雷諾時(shí)均方法求解內(nèi)部非定常流動(dòng)，將殼體壁面壓力脈動(dòng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到殼體結(jié)構(gòu)內(nèi)壁面網(wǎng)格上；② 求解結(jié)構(gòu)的固有模態(tài)，基于模態(tài)求解結(jié)構(gòu)在壓力脈動(dòng)激勵(lì)下的振動(dòng)位移響應(yīng)；③ 將結(jié)構(gòu)外表面上的振動(dòng)位移作為邊界條件，采用FEM/AML方法求解外場(chǎng)流激振動(dòng)聲。

而對(duì)于葉輪和殼體偶極子透過(guò)殼體的外場(chǎng)流動(dòng)噪聲，首先需要通過(guò)計(jì)算內(nèi)場(chǎng)噪聲，求解出內(nèi)場(chǎng)場(chǎng)點(diǎn)的聲壓，再通過(guò)FEM/AML外場(chǎng)計(jì)算將場(chǎng)點(diǎn)聲壓脈動(dòng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到殼體結(jié)構(gòu)內(nèi)壁面上。對(duì)于葉輪旋轉(zhuǎn)偶極子作用的外場(chǎng)流動(dòng)噪聲，應(yīng)用扇聲源寬頻計(jì)算，提取流體計(jì)算中葉輪壁面上的時(shí)域脈動(dòng)激勵(lì)，無(wú)需進(jìn)行Fourier變換；并將葉輪分為10段，以使每段尺度相比聲波波長(zhǎng)緊致。對(duì)于殼體偶極子外場(chǎng)噪聲，殼體壁面的非定常壓力脈動(dòng)激勵(lì)經(jīng)過(guò)快速Fourier變換之后作為聲學(xué)邊界條件。

采用聲振耦合方法求解時(shí)，兩相介質(zhì)通過(guò)耦合界面相互作用，耦合問題用耦合方程定義，強(qiáng)耦合方法中兩個(gè)場(chǎng)及其耦合作用都置于同一控制方程中，在同一時(shí)間步內(nèi)求解所有變量，能夠得到準(zhǔn)確的各場(chǎng)待求變量。弱耦合方法則依次求解單個(gè)場(chǎng)的控制方程，通過(guò)中間程序交換兩個(gè)介質(zhì)域的計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)耦合求解，在單個(gè)方程中并未考慮耦合作用。耦合面為結(jié)構(gòu)網(wǎng)格與聲網(wǎng)格的接觸面，兩個(gè)場(chǎng)在此進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。耦合面節(jié)點(diǎn)的加速度、速度或位移滿足一定的力平衡與變形協(xié)調(diào)關(guān)系。原理上是結(jié)構(gòu)與聲場(chǎng)在邊界上對(duì)應(yīng)質(zhì)點(diǎn)間滿足位移協(xié)調(diào)關(guān)系ds=da和作用力平衡fs=fa。在耦合面上，由于結(jié)構(gòu)網(wǎng)格與聲學(xué)網(wǎng)格的幾何形狀和密度往往不相同，需要進(jìn)行網(wǎng)格映射，使得兩個(gè)模型的網(wǎng)格能夠通過(guò)臨近節(jié)點(diǎn)互相耦合。

離心泵作透平聲學(xué)有限元及場(chǎng)點(diǎn)網(wǎng)格如圖3所示。AML技術(shù)要求網(wǎng)格輪廓必須為凸形，以充分考慮振動(dòng)物體兩個(gè)不同區(qū)域之間聲波的相互作用，而凹形網(wǎng)格則會(huì)吸收聲波。AML技術(shù)只需將聲學(xué)有限元包絡(luò)網(wǎng)格外側(cè)指定AML屬性，PML層網(wǎng)格會(huì)在求解器內(nèi)部自動(dòng)生成，在計(jì)算時(shí)還可以根據(jù)計(jì)算頻率自動(dòng)調(diào)整生成符合計(jì)算條件的PML層，因而可以在提高計(jì)算精度的同時(shí)降低工作量。殼體結(jié)構(gòu)有限元分析模型與內(nèi)場(chǎng)類似，只不過(guò)封閉了進(jìn)出口。聲學(xué)有限元網(wǎng)格內(nèi)部邊界與殼體形狀貼合，外輪廓凸形，在此輪廓外側(cè)指定AML屬性，用于測(cè)量外場(chǎng)聲功率的場(chǎng)點(diǎn)網(wǎng)格采用ISO標(biāo)準(zhǔn)建立。

圖3　聲學(xué)有限元及場(chǎng)點(diǎn)網(wǎng)格Fig.3 Acoustic finite element and field point mesh

聲音的傳播具有明顯的方向性，不同空間點(diǎn)相對(duì)聲源的位置、方向不同，所測(cè)得的噪聲聲壓級(jí)也不同。為了獲得離心泵作透平聲壓級(jí)分布情況，以葉輪回轉(zhuǎn)中心(0，0，0)為中心分別平行于x，y，z軸建立1 m×1 m的聲學(xué)監(jiān)測(cè)面，定義為橫向，垂向和軸向，在每個(gè)監(jiān)測(cè)面上距葉輪中心1 m處設(shè)置36個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間的夾角為10°，如圖4所示，并設(shè)立4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)以觀察外場(chǎng)輻射聲壓頻響曲線。

圖4　監(jiān)測(cè)面及監(jiān)測(cè)點(diǎn)Fig.4 Monitoring planes and points

2驗(yàn)證試驗(yàn)

試驗(yàn)?zāi)B(tài)是基于系統(tǒng)激振力和響應(yīng)的動(dòng)態(tài)測(cè)試，能夠?qū)Y(jié)構(gòu)進(jìn)行可測(cè)可控的動(dòng)力學(xué)激勵(lì)，通過(guò)激振力和響應(yīng)的信號(hào)求得系統(tǒng)的頻響函數(shù)矩陣，進(jìn)而在頻域或轉(zhuǎn)到時(shí)域采用多種識(shí)別方法求出模態(tài)參數(shù)[25]。本文采用自由懸掛式支撐方式(使用柔軟的彈性繩將試件懸吊起來(lái))；采用逐點(diǎn)激勵(lì)、單點(diǎn)響應(yīng)激出各點(diǎn)的響應(yīng)信號(hào)，開展了殼體結(jié)構(gòu)的振動(dòng)模態(tài)實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)裝置如圖5所示，采用的儀器如表2所示。

圖5　試驗(yàn)裝置示意圖Fig.5 Sketch of test rig

設(shè)備名稱型號(hào)用途力錘及力傳感器B&K8848(鋼頭)產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)加速度傳感器PCB353B拾取響應(yīng)信號(hào)ICP放大器PCB480B21放大信號(hào)動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀SD380處理傳遞函數(shù)結(jié)構(gòu)分析軟件STAR5.0模態(tài)分析

測(cè)點(diǎn)應(yīng)合理分布以便每階模態(tài)振型都能唯一地區(qū)分開來(lái)，進(jìn)而正確反映試件模態(tài)振型。測(cè)點(diǎn)位置的選擇主要考慮：① 要能反映透平結(jié)構(gòu)輪廓，對(duì)于規(guī)則的部分盡量采取對(duì)稱布置；② 透平承載處及試驗(yàn)中主要關(guān)注的部位，測(cè)點(diǎn)應(yīng)布置密一些；③ 加速度傳感器放置應(yīng)避開各階振型的節(jié)點(diǎn)，否則會(huì)丟失模態(tài)；④ 對(duì)于模態(tài)可能較多的局部區(qū)域可增加測(cè)點(diǎn)。最終在殼體關(guān)鍵位置布置了306個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖6所示。

圖6　模態(tài)試驗(yàn)殼體測(cè)點(diǎn)Fig.6 Measuring points of casing in modal test

3外聲場(chǎng)結(jié)果分析

3.1模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值結(jié)果對(duì)比

采用有限元方法分析殼體模態(tài)響應(yīng)。殼體采用solid187實(shí)體單元，殼體模型共含1 914 480個(gè)單元，379 537個(gè)節(jié)點(diǎn)。殼體材料為灰鑄鐵HT200，密度ρ=7 200 kg/m3，彈性模量E=148 GPa，泊松比μ=0.3。

殼體結(jié)構(gòu)試驗(yàn)與計(jì)算的模態(tài)對(duì)比結(jié)果見表3，相應(yīng)的模態(tài)振型對(duì)比結(jié)果如圖7所示?？梢钥闯?，與試驗(yàn)結(jié)果相比，殼體結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率的計(jì)算誤差絕對(duì)值均控制在8%以內(nèi)，平均誤差為4.60%；其中第三階模態(tài)誤差最小，誤差為1.31%，第六階模態(tài)誤差最大，誤差為7.57%?？梢哉J(rèn)為試驗(yàn)與計(jì)算的頻率分布一致性較好，試驗(yàn)與計(jì)算模態(tài)具有相同的振型。表明建立的有限元模型可以很好地反映出實(shí)際結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性。殼體組件的第一階模態(tài)呈懸架繞z軸擺動(dòng)的振型特征，第二階模態(tài)以懸架繞y軸扭動(dòng)為主；第三、四階模態(tài)出口法蘭在xy平面內(nèi)左右擺動(dòng)，進(jìn)口法蘭在斜上方45°與斜下方45°方向上擺動(dòng)，兩模態(tài)相位差90°；第五、六階模態(tài)振動(dòng)分別呈右支腳與左支腳繞y軸擺動(dòng)(從泵工況進(jìn)口方向看)。

在實(shí)際工作中離心泵作透平通過(guò)螺栓固定在基礎(chǔ)上，進(jìn)、出口接固定的管道，因此殼體模態(tài)分析的邊界條件設(shè)為：與地基相接觸的底面施加x，y和z六個(gè)方向的約束，進(jìn)口限制上下位移，出口限制軸向位移。計(jì)算獲得前8階模態(tài)的固有頻率，如表4所示。

表3　殼體模態(tài)結(jié)果

表4　殼體約束模態(tài)固有頻率

圖7　殼體模態(tài)振型圖Fig.7 Vibration mode of casing

3.2外場(chǎng)不同性質(zhì)噪聲特性分析

圖8給出了最優(yōu)工況下葉輪、殼體偶極子作用的外場(chǎng)噪聲在四個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的頻譜特性曲線?？梢钥闯?，四個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的聲壓級(jí)水平基本相當(dāng)。五階葉頻處的聲壓級(jí)最高，二階葉頻處也較高，主要是由于這些頻率接近殼體的第三階固有頻率和第一階固有頻率，使得殼體結(jié)構(gòu)與流體相互之間很可能發(fā)生小幅共振；另一方面說(shuō)明了，外場(chǎng)輻射噪聲由內(nèi)部流體壓力脈動(dòng)和結(jié)構(gòu)共同決定。

圖8　最優(yōu)工況下外場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)頻譜特性Fig.8 Spectrum characteristics of exterior noise at monitoring points under optimum condition

比較五階葉頻處三種聲源外場(chǎng)噪聲可知，葉輪旋轉(zhuǎn)偶極子作用的流動(dòng)噪聲聲壓輻值約為41 dB，殼體偶極子作用的流動(dòng)噪聲聲壓輻值約為52 dB，殼體流激噪聲輻射的聲壓值約為57 dB，在其它離散頻率及寬頻下流激噪聲的聲壓級(jí)最高。葉頻處，殼體流激噪聲、殼體偶極子作用的流動(dòng)噪聲以及葉輪偶極子作用的流動(dòng)噪聲的聲壓級(jí)分別為：30 dB、29 dB和27 dB。為此，重點(diǎn)分析五階葉頻處聲壓的空間輻射情況。

圖9給出了五階葉頻處葉輪、殼體偶極子作用的外場(chǎng)噪聲在橫向、垂向和軸向的指向性分布。其中，徑向坐標(biāo)單位為dB，周向坐標(biāo)為角度。

由圖9(a)和(c)看出，五階葉頻處三種噪聲源在橫向與軸向的空間指向性相似，呈現(xiàn)出旁瓣現(xiàn)象；在橫向上，大流量工況(Q=110 m3/h)殼體作用的流激噪聲的指向性受流量影響較復(fù)雜，與其它聲源的指向性有所區(qū)別；而軸向上，小流量工況(Q=80 m3/h)殼體作用的流激噪聲的指向性與其它聲源也有所區(qū)別。由圖9(b)看出，三種噪聲源垂向分布在各方向趨勢(shì)相同，極值位置一致；隨流量增加，葉輪偶極子作用的流動(dòng)噪聲聲壓值逐漸增加；而殼體偶極子作用的流動(dòng)與流激噪聲在最優(yōu)工況下(Q=90 m3/h)聲壓值最小，大流量工況下聲壓值最大。

對(duì)比圖9看出，相同流量下，不同性質(zhì)噪聲源外場(chǎng)指向性在各方向基本相同，流量對(duì)于外場(chǎng)聲壓的指向性形狀基本無(wú)影響。而幅值，小流量工況下噪聲聲壓值受不同性質(zhì)噪聲源影響較明顯，殼體偶極子產(chǎn)生的流動(dòng)與流激噪聲相比葉輪偶極子作用的流動(dòng)噪聲分別增加約46%和77%；最優(yōu)工況下殼體偶極子作用的流激噪聲相比葉輪偶極子作用的流動(dòng)噪聲增加達(dá)53%，而殼體偶極子作用的流動(dòng)噪聲僅增加16%；大流量工況下噪聲聲壓級(jí)受不同性質(zhì)噪聲源影響較小，殼體偶極子產(chǎn)生的流動(dòng)與流激噪聲相比葉輪偶極子作用的流動(dòng)噪聲分別僅增加約19%和25%。因此，三種噪聲源在遠(yuǎn)場(chǎng)的分布類似，但相應(yīng)流量下殼體流激噪聲的輻射聲壓值最高，殼體流動(dòng)噪聲次之，葉輪偶極子流動(dòng)噪聲最小。

圖9　三種噪聲源五階葉頻處外場(chǎng)噪聲指向性Fig.9 Exterior noise directivity of three sources at five order Blade Passing Frequency

流量/(m3·h-1)葉輪偶極子作用的流動(dòng)噪聲/dBA殼體偶極子作用的流動(dòng)噪聲/dBA殼體偶極子作用的流激噪聲/dBA8052.5359.7167.649051.0358.7772.4610054.4961.6670.4111054.6262.8877.18

不同工況下葉輪、殼體偶極子作用的外場(chǎng)噪聲聲功率級(jí)，如表5所示。其中，計(jì)算頻率范圍為12.5～2 000 Hz，間隔12.5 Hz，頻帶采用1/3倍頻程劃分，頻譜計(jì)權(quán)方式采用與人耳感覺十分接近的A計(jì)權(quán)。可以看出，對(duì)應(yīng)流量下，葉輪偶極子作用的流動(dòng)噪聲聲功率級(jí)最低，殼體偶極子作用的流激噪聲聲功率級(jí)最高。外場(chǎng)噪聲聲功率級(jí)隨流量增加先降低后增加，存在一個(gè)最小聲功率級(jí)；且流動(dòng)噪聲最小聲功率級(jí)對(duì)應(yīng)流量為90 m3/h，而流激噪聲最小聲功率級(jí)對(duì)應(yīng)流量為100 m3/h。進(jìn)一步說(shuō)明外場(chǎng)噪聲不僅與內(nèi)部流場(chǎng)有關(guān)，而且與結(jié)構(gòu)關(guān)系密切。

4結(jié)論

針對(duì)離心泵作透平內(nèi)部介質(zhì)為水、外部介質(zhì)為空氣的特點(diǎn)，結(jié)合FEM/AML技術(shù)分析了葉輪和殼體聲源作用的外場(chǎng)流動(dòng)與流激噪聲，揭示了外場(chǎng)聲源在各個(gè)頻段下的貢獻(xiàn)。得到結(jié)論如下：

(1) 模態(tài)試驗(yàn)與計(jì)算模態(tài)對(duì)比分析表明：殼體模態(tài)頻率的計(jì)算誤差絕對(duì)值平均為4.60%；試驗(yàn)與計(jì)算的頻率分布一致性較好，振型近似；所建立的有限元模型能夠較好地反映實(shí)際結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性，可用于基于模態(tài)求解的振動(dòng)輻射噪聲特性分析。

(2) 外場(chǎng)噪聲由內(nèi)部流體壓力脈動(dòng)和結(jié)構(gòu)共同決定；殼體聲源激勵(lì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的流激噪聲聲壓最高，是外場(chǎng)噪聲的主要因素，殼體偶極子源作用的流動(dòng)噪聲次之，葉輪旋轉(zhuǎn)偶極子源作用的流動(dòng)噪聲最小。

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Flow-induced exterior noise characteristics of a centrifugal pump as a turbine and different noises’ contribution analysis

DONGLiang1,DAICui2,KONGFan-yu1,FULei3,XIABin1(1. Research Center of Fluid Machinery Engineering and Technology, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China;2. School of Energy and Power Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China;3. College of Mechanical and Electrical Engineering, Sichuan University of Science & Engineering, Zigong 643000, China)

Abstract:Numerical simulation and test investigation were performed for flow-induced exterior noise characteristics of a centrifugal pump as a turbine (PAT). Under typical flow conditions, dipole sources were obtained using Reynolds-average method. The flow-borne noise and flow-induced structure noise in exterior acoustic field due to impeller and casing dipole sources were solved with FEM/AML. Furthermore, the spectral characteristics of each noise source and their contributions to exterior noise were distinguished. Meanwhile, modal parameters for casing were recognized with modal test. Results showed that the average relative error of natural frequencies between calculation results and test ones is less than 4.60% with the similar modal shapes; the sound pressure at the fifth order blade natural frequency (BNF) is the highest due to the influence of casing structure, and that at the second order BNF takes the second place; the flow-induced structure noise due to casing dipole sources makes the biggest contribution to exterior noise, the flow-borne noise due to casing dipole sources follows and the flow-borne noise due to impeller dipole sources is the least. The results provided a reference for low noise design of similar turbomachineries.

Key words:centrifugal pump as a turbine; flow-induced noise; flow-borne noise; flow-induced structure noise; exterior noise

中圖分類號(hào):Th111

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2016.05.027

通信作者孔繁余 男，學(xué)士，教授，博士生導(dǎo)師，1956年生

收稿日期：2014-12-03修改稿收到日期：2015-03-23

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(51309119；51509111)；中國(guó)博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2015M581734)；江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程項(xiàng)目(PAPD)；江蘇大學(xué)高級(jí)人才科研啟動(dòng)基金(12JDG082；15JDG052)；西華大學(xué)流體及動(dòng)力機(jī)械教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題資助項(xiàng)目(SZJJ2015-017)；過(guò)程裝備與控制工程四川省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目(GK201403)；浙江省重大科技專項(xiàng)重大工業(yè)項(xiàng)目(2014C01004-1)

第一作者 董亮 男，博士，助理研究員，1981年生

E-mail：kongfy2918@sohu.com