本發(fā)明涉及一種多級(jí)泵輻射噪聲數(shù)值預(yù)測(cè)方法，特別是一種多級(jí)離心泵流動(dòng)誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)振動(dòng)輻射噪聲數(shù)值預(yù)測(cè)方法，解決傳統(tǒng)低噪聲離心泵研發(fā)周期長、成本高、效率低的問題。

技術(shù)背景

多級(jí)離心泵作為輸送液體和增壓的重要設(shè)備，廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。由于多級(jí)泵葉輪和導(dǎo)葉之間的動(dòng)靜干涉作用，且還存在著強(qiáng)烈的級(jí)間耦合作用，多級(jí)離心泵內(nèi)部流動(dòng)復(fù)雜，壓力脈動(dòng)的強(qiáng)度較大，最終表現(xiàn)為泵體結(jié)構(gòu)振動(dòng)并向外輻射噪聲。特別是在高層住宅區(qū)和工作場(chǎng)所等人員集中的地方，泵的輻射噪聲對(duì)人們的身心健康、生活和工作帶來很大影響，因此人們更關(guān)心如何降低泵的輻射噪聲水平。隨著居民生活水平的提高和城市化建設(shè)步伐的加快，人們對(duì)噪聲問題提出越來越嚴(yán)格的要求，因此，降低多級(jí)離心泵輻射噪聲已經(jīng)成為多級(jí)泵領(lǐng)域亟待解決的重要問題。

目前關(guān)于離心泵聲學(xué)預(yù)測(cè)方法主要分為直接法和間接法。直接法就是直接求解N-S方程以獲得流場(chǎng)和聲場(chǎng)物理量，該方法不需要額外引入聲學(xué)模型，但該方法求解的計(jì)算量巨大，對(duì)網(wǎng)格和計(jì)算機(jī)性能要求很高，在實(shí)際應(yīng)用中很難實(shí)現(xiàn)。間接法也稱類比法，主要是通過流場(chǎng)計(jì)算得到聲場(chǎng)計(jì)算所需的等效聲源，然后利用聲源信息求解聲學(xué)波動(dòng)方程以得到聲場(chǎng)解。相比于直接法，聲類比法的計(jì)算量相對(duì)較小，對(duì)網(wǎng)格及湍流模型要求均相對(duì)較低。在離心泵聲學(xué)預(yù)測(cè)方面，大多數(shù)的研究關(guān)注于水力噪聲方面，即流動(dòng)噪聲預(yù)測(cè)，如專利申請(qǐng)?zhí)枮?01310503029.7公開了一種離心泵流動(dòng)誘導(dǎo)噪聲數(shù)值預(yù)測(cè)方法，但該專利只計(jì)算了流體內(nèi)的噪聲傳播問題，沒有考慮結(jié)構(gòu)振動(dòng)輻射出來的噪聲問題，在實(shí)際工程中的實(shí)用性并不強(qiáng)。

經(jīng)檢索，關(guān)于多級(jí)離心泵流動(dòng)誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)輻射噪聲數(shù)值預(yù)測(cè)方法沒有相關(guān)報(bào)道。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種多級(jí)離心泵流動(dòng)誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)輻射噪聲數(shù)值預(yù)測(cè)方法。該方法基于外特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果以提高離心泵噪聲預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度。將該數(shù)值預(yù)測(cè)方法應(yīng)用于低噪聲多級(jí)離心泵優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以解決傳統(tǒng)離心泵噪聲預(yù)測(cè)值只考慮流動(dòng)噪聲而忽視結(jié)構(gòu)振動(dòng)輻射噪聲問題，縮短研發(fā)周期、降低成本。

為了解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的具體技術(shù)方案如下：

一種多級(jí)離心泵流動(dòng)誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)輻射噪聲數(shù)值預(yù)測(cè)方法，其特征在于包括以下步驟：

步驟一，采用分離渦湍流模型進(jìn)行流場(chǎng)非定常計(jì)算，得到更精確的適合聲學(xué)計(jì)算的聲源信息；

步驟二，輸出流體域與結(jié)構(gòu)域交界面上的壓力脈動(dòng)信息，并通過積分插值的方法將交界面上的壓力脈動(dòng)信息加載到聲學(xué)網(wǎng)格上；

步驟三，利用ACTRAN中Vibro-Acoustic模塊進(jìn)行多級(jí)離心泵結(jié)構(gòu)振動(dòng)輻射噪聲計(jì)算。

所述步驟一具體包括以下過程：

過程1.1，對(duì)模型泵進(jìn)行外特性實(shí)驗(yàn)，得到泵進(jìn)出口壓力和流量值，將進(jìn)出口壓力和流量值作為流場(chǎng)定常計(jì)算的邊界條件；

過程1.2，對(duì)模型泵流體計(jì)算域進(jìn)行三維建模、網(wǎng)格劃分，將外特性實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)作為流場(chǎng)定常計(jì)算的邊界條件，進(jìn)行定常計(jì)算，得到模型泵的外特性模擬結(jié)果；

過程1.3，將流場(chǎng)定常計(jì)算的外特性模擬結(jié)果與外特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如果兩者相差大于5％，則回到過程1.2修改計(jì)算域模型或調(diào)整所述網(wǎng)格的質(zhì)量和數(shù)量；

過程1.4，如果模型泵外特性模擬結(jié)果與外特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符即相差小于5％，則在流場(chǎng)定常計(jì)算基礎(chǔ)上，繼續(xù)進(jìn)行流場(chǎng)非定常計(jì)算；

所述流場(chǎng)非定常計(jì)算過程為：選擇分離渦湍流模型DES，根據(jù)要分析的頻率范圍和頻率分辨率，設(shè)置非定常計(jì)算的總時(shí)間及時(shí)間步長；非定常計(jì)算中每計(jì)算一步輸出一個(gè)瞬態(tài)結(jié)果文件.trn；同時(shí)輸出流場(chǎng)計(jì)算域網(wǎng)格信息；所述瞬態(tài)結(jié)果文件包含壓力、速度和密度等流場(chǎng)信息；

過程1.5，流場(chǎng)非定常流場(chǎng)計(jì)算結(jié)束后，在CFX求解器中以.ensight格式輸出聲學(xué)計(jì)算所需要的聲源信息。

所述步驟二具體包括以下過程：

過程2.1，對(duì)模型泵結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行三維造型并劃分網(wǎng)格，分離出流體與結(jié)構(gòu)接觸面上的面網(wǎng)格，并單獨(dú)命名；

過程2.2，在所述過程2.1的基礎(chǔ)上，建立多級(jí)離心泵流動(dòng)誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)振動(dòng)輻射噪聲聲學(xué)模型，包括內(nèi)部結(jié)構(gòu)域和外部空氣域；

過程2.3，利用ACTRAN中Flow Mesh Model功能提取過程2.1中所述流體與結(jié)構(gòu)接觸面上的壓力脈動(dòng)信息；

過程2.4，通過ACTRAN-iCFD模塊對(duì)對(duì)流場(chǎng)非定常計(jì)算導(dǎo)出的聲源信息進(jìn)行傅里葉變換，將所述聲源信息從時(shí)域轉(zhuǎn)換到頻域，并將頻域聲源信息從流體域網(wǎng)格通過積分插值的方法插入到結(jié)構(gòu)部分的聲學(xué)網(wǎng)格上。

所述步驟三具體包括以下過程：

過程3.1，導(dǎo)入聲學(xué)網(wǎng)格到ACTRAN中，并創(chuàng)建直接頻率響應(yīng)分析，定義材料屬性及邊界條件，設(shè)置聲學(xué)監(jiān)測(cè)場(chǎng)點(diǎn)和云圖輸出位置，輸出.edat文件，選擇Mumps求解器進(jìn)行聲學(xué)計(jì)算；

過程3.2，聲學(xué)計(jì)算完成后，在ACTRAN-VI中進(jìn)行后處理，查看云圖結(jié)果，在ACTRAN-PLTViewer中查看場(chǎng)點(diǎn)聲壓級(jí)頻譜及指向性曲線。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明通過將多級(jí)離心泵流動(dòng)誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)輻射噪聲數(shù)值計(jì)算結(jié)果應(yīng)用于多級(jí)離心泵低噪聲設(shè)計(jì)，能有效縮短低噪聲產(chǎn)品的研發(fā)周期，節(jié)約研發(fā)成本，減少傳統(tǒng)低噪聲產(chǎn)品研發(fā)中的試驗(yàn)次數(shù)，有效提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)效率和質(zhì)量。本發(fā)明中流場(chǎng)和聲場(chǎng)網(wǎng)格之間數(shù)據(jù)傳遞通過積分插值方法進(jìn)行，可以利用全部節(jié)點(diǎn)信息，避免造成信息丟失，提高預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

附圖說明

圖1為多級(jí)離心泵流動(dòng)誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)振動(dòng)輻射噪聲數(shù)值預(yù)測(cè)流程圖；

圖2為聲學(xué)計(jì)算流程圖；

圖3為多級(jí)離心泵流動(dòng)誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)振動(dòng)輻射噪聲聲學(xué)計(jì)算模型；

圖4為流場(chǎng)計(jì)算輸出聲源信息的頭文件(.ensight)；

圖5為流場(chǎng)網(wǎng)格到聲場(chǎng)網(wǎng)格的兩種插值方法；

圖6多級(jí)離心泵實(shí)驗(yàn)臺(tái)；

圖7為多級(jí)離心泵輻射噪聲總聲壓級(jí)數(shù)值計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步詳細(xì)說明。

(1)以一臺(tái)M220-7-12多級(jí)離心泵作為模型泵來進(jìn)行多級(jí)離心泵流動(dòng)誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)輻射噪聲數(shù)值預(yù)測(cè)，整個(gè)預(yù)測(cè)流程如圖1所示。首先，在半消聲室內(nèi)搭建多級(jí)離心泵實(shí)驗(yàn)臺(tái),如圖6所示。

其次進(jìn)行多級(jí)離心泵外特性實(shí)驗(yàn)，得到流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算所需的邊界條件，如進(jìn)口壓力和出口流量，同時(shí)得到模型泵揚(yáng)程、效率、軸功率隨流量變化曲線；

(2)模型泵外特性實(shí)驗(yàn)得到的邊界條件為：設(shè)計(jì)流量下，泵進(jìn)口壓力為103KPa，泵出口流量為8.01m³/h；

(3)對(duì)模型泵流體計(jì)算域進(jìn)行三維建模、劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，流體域總網(wǎng)格數(shù)約為700萬，導(dǎo)入網(wǎng)格到CFX中進(jìn)行前處理設(shè)置，利用外特性實(shí)驗(yàn)取得的邊界條件進(jìn)行定常計(jì)算；

(4)將流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如果模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差值大于5％，則數(shù)值計(jì)算不可信，需返回修改數(shù)值計(jì)算模型；

(5)如果模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果在5％以內(nèi)，則數(shù)值計(jì)算可信；

(6)在流場(chǎng)定常計(jì)算基礎(chǔ)上，根據(jù)所需要分析的頻率范圍和頻率分辨率，設(shè)置非定常計(jì)算的總時(shí)間為0.17143s，即葉輪旋轉(zhuǎn)8圈的時(shí)間，時(shí)間步長為1.7857×10^-4s，即葉輪轉(zhuǎn)過3°的時(shí)間；

(7)流場(chǎng)非定常計(jì)算選用的湍流模型為分離渦模型(DES)；

(8)流場(chǎng)非定常計(jì)算時(shí)需要輸出每一步的瞬態(tài)計(jì)算結(jié)果，輸出變量包括：壓力、速度、密度和流體域網(wǎng)格信息；

(9)非定常計(jì)算結(jié)束后，在CFX-Solve中利用非定常計(jì)算結(jié)果文件，輸出每一步的流場(chǎng)信息到.ensight文件中，頭文件如圖4所示；

(10)建立多級(jí)離心泵結(jié)構(gòu)部分三維模型，由于多級(jí)泵結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，結(jié)構(gòu)部分網(wǎng)格總數(shù)約為61萬；

(11)提取出多級(jí)泵結(jié)構(gòu)上流體與結(jié)構(gòu)接觸面網(wǎng)格，并單獨(dú)命名為Solid-Face；

(12)建立多級(jí)離心泵流動(dòng)誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)振動(dòng)輻射噪聲聲學(xué)模型，包括內(nèi)部結(jié)構(gòu)域Structure和外部空氣域Air，如圖3所示；

(13)對(duì)步驟11建立的聲學(xué)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，根據(jù)空氣中聲速和所要分析的最大頻率，計(jì)算出聲波波長，保證每個(gè)波長范圍內(nèi)至少有6個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)；

(14)將步驟10中建立的流體與結(jié)構(gòu)接觸面Solid-Face導(dǎo)入ACTRAN中，利用Flow Mesh Model提取該面上的壓力脈動(dòng)信息；

(15)通過ACTRAN iCFD模塊進(jìn)行傅里葉變換，首先從.ensight文件中提取聲源信息到時(shí)域文件time.nff中，然后從time.nff文件中提取時(shí)域信息到頻域文件frequency.nff中；

(16)保存步驟14設(shè)置的iCFD計(jì)算文件，利用ACTRAN Mumps求解器進(jìn)行iCFD計(jì)算，并通過積分插值的方法將流體與固體結(jié)構(gòu)接觸面上的聲源信息插值到結(jié)構(gòu)域上，如圖5所示

(17)導(dǎo)入步驟12劃分的聲學(xué)計(jì)算網(wǎng)格模型到ACTRAN中，創(chuàng)建直接頻率響應(yīng)分析，定義各部分材料屬性，設(shè)置約束，加載頻域聲源，設(shè)置輸出云圖和聲學(xué)監(jiān)測(cè)場(chǎng)點(diǎn)；

(18)保存步驟16設(shè)置的聲學(xué)計(jì)算文件(.edat)，通過ACTRAN Mumps求解器進(jìn)行聲傳播計(jì)算，聲學(xué)計(jì)算流場(chǎng)圖如圖2所示；

(19)聲學(xué)計(jì)算結(jié)束后，在ACTRAN VI中查看各部分云圖，在ACTRANPLTViewver中查看場(chǎng)點(diǎn)聲壓級(jí)和頻譜曲線。

(20)最終聲學(xué)預(yù)測(cè)的輻射噪聲與實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，可以看出本發(fā)明提供的預(yù)測(cè)方法準(zhǔn)確性較高。