叶片出口角对离心泵流动诱导噪声影响的研究

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3.0 赵德峰 2024-11-11 4 4 4.06MB 70 页 15积分

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摘要

流动诱导噪声是离心泵产生的主要噪声之一，其发生特性及强度大小与泵内

流体的压力脉动直接相关。离心泵运行时，叶轮在蜗壳内高速旋转，叶片与流体

发生强烈的相互作用是压力脉动产生的主要原因。不同几何特征的叶片引起的压

力脉动不同，对噪声也产生不同的影响。叶片出口角是离心泵叶轮的重要几何参

数，对其与离心泵压力脉动及流动诱导噪声的关系的研究将对今后水泵的降噪优

化设计提供有意义的参考。本文首先采用试验与数值计算两种手段对离心泵内的

压力脉动产生机理与分布特性进行研究，然后采用数值方法对离心泵在不同出口

角下的流场及外声场特性进行研究，主要工作如下：

1 搭建了离心泵性能及内部压力脉动测试试验台。按照国标要求并根据本试

验的特点合理设计了管路形式及尺寸，设计了采用隔板加整流栅的方法消除进口

旋窝及压力波动影响；根据参数测量的特点，确定了合理的测量仪器及数据采集

方案。

2 对IS100-80-160 型离心泵在不同运行工况下的性能及内部压力脉动特性进

行了测量并与数值模拟结果进行了对比，结果表明：离心泵扬程及效率的数值预

测与试验测量的结果变化趋势一致；离心泵内部压力脉动主要分布在轴频及叶频

处，且随着流量增加，轴频处压力脉动逐渐减小，叶频处压力脉动先减小后增加，

额定工况下脉动强度最低；数值模拟只能捕捉到叶频及其谐频处压力脉动；对离

心泵壳体表面振动加速度测量结果显示，壳体表面振动加速度在 1~3m/s2之间。

3 对一离心泵在不同出口角下外特性进行了数值预测并基于大涡模拟技术对

离心泵内部流场压力脉动特性进行了研究，结果表明：出口角增加导致离心泵扬

程升高而效率降低，出口角从 18°增加到 39°扬程升高了 7%，效率降低了 5.1%；

随着出口角增加，蜗壳内壁面压力脉动强度在基频处逐渐降低而二阶谐频处逐渐

升高，脉动的总能量也逐渐增加，出口角从 18°增加到 39°其脉动能增加约 12%；

叶轮所受径向力脉动强度明显高于轴向力，脉动频率与叶频相同。

4 采用边界元方法，以蜗壳内壁面压力脉动为声源并结合壳体模态计算了离

心泵不同出口角下蜗壳表面振速及其外辐射声场，结果显示：蜗壳表面振速在二

阶谐频下最大；出口角增加，蜗壳表面振速及外辐射声场的声压级均增大，出口

角从 18°增加到 39°声压级增加了约 8.6dB；对离心泵外声场比声功率级计算得

出，外声场比声功率级随出口角增加而增加。

关键词：离心泵叶片出口角压力脉动边界元

ABSTRACT

Flow-induced noise is one of the primary noises in centrifugal pumps. The level and

directivity of the noise is related to the pressure fluctuation inside the pump, which is

generated by the strong interaction among the blades, volute and fluid as pump is

running. The geometric parameters of the blade have important effects on pressure

fluctuation and flow-induced noise. Blade outlet angle is one of the most important

geometric parameters of centrifugal pumps. The research about the influence of blade

outlet angle on pressure fluctuation and flow induced noise is very beneficial to

controlling the flow induced noise. Both experimental and numerical methods were

employed in this paper to study the production mechanism and distribution

characteristic of pressure fluctuation and vibration of a centrifugal pump, and then the

effect of blade outlet angle was investigated with numerical method. The main

components of this paper are listed as follows:

1 According to the GB/T 3216-2005 and GB/T 3214-2007, a test-bed for the

measure of the performance, pressure fluctuation and vibration of a centrifugal pump.

A damping screen and clapboards were designed to cutting down the pressure wave of

inlet; Reasonable measuring instruments and data acquisition scheme were designed;

2 Performance and pressure fluctuation parameters of the centrifugal pump

IS100-80-160 were measured on the test-bed and compared with the numerical data.

The result shows that both head and efficiency measured by experiment are fit well

with the numerical solution. The maximum error of the head between them is about 7%

and the error of efficiency is about 11.5%. Experiment results show that the pressure of

fluid fluctuates mainly at blade passing frequency (BPF) and shaft frequency while

numerical method only catch the pressure fluctuation at blade passing frequency.

Results of volute vibration show that the vibration acceleration is around 1~3m/s2.

3 The performances of a centrifugal pump under different blade outlet angles are

predicted and large eddy method is applied to simulate the unsteady flow field in the

models. Results show that the head of pump increases 7% while the efficiency

decreases 5.1% as the blade outlet angle increases from 18° to 39°. The Pressure

fluctuation intensity at BPF frequency decreases and the intensity increases at second

order harmonic frequency. And the total power of pressure fluctuation has increased

12% as outlet angle increases from 18° to 39°. Blade force acting on the impeller in

radial direction is much higher than in axial direction and the fluctuation frequency is

same to blade passing frequency.

4 Based on mode of volute and the pressure fluctuation which exported from

unsteady flow-field computation, a vibro-acoustic coupling method is used to calculate

the vibration and noise induced by the flow exciting force. Result shows that the

vibration velocity of the volute wall in second order harmonic frequency is higher than

in other frequencies. The sound pressure level has increased 8.6dB as blade outlet

angle grows from 18° to 39°. Results of acoustic power level show that the acoustic

power level increases as blade outlet angle grows.

Key Words: centrifugal pump, blade outlet angle, pressure fluctuation,

boundary condition method

摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ......................................................... 1

1.1 研究背景及意义 .............................................. 1

1.2 国内外研究现状 .............................................. 1

1.2.1 理论分析 ............................................. 2

1.2.2 试验研究 ............................................. 2

1.2.3 数值研究 ............................................. 2

1.3 本文主要研究内容 ............................................. 6

第二章离心泵试验台设计及参数测量 ................................... 7

2.1 试验台装置 ................................................... 7

2.1.1 试验泵及电机 ......................................... 8

2.1.2 扭矩传感器 ........................................... 9

2.1.3 水箱及稳流装置设计 .................................. 11

2.1.4 回路设计 ............................................ 12

2.2 参数测量 ................................................... 13

2.2.1 流量测量 ............................................ 13

2.2.2 压力测量 ............................................ 15

2.2.3 振动测量 ............................................ 17

2.3 数据采集系统 ............................................... 17

2.4 试验泵流场及振动测量 ....................................... 19

2.4.1 试验泵外特性 ........................................ 19

2.4.2 试验泵内压力脉动 .................................... 20

2.4.3 泵体振动 ............................................ 25

2.5 本章小结 ................................................... 27

第三章离心泵流动诱导噪声的数值预测方法 ............................ 28

3.1 整体计算思路 ............................................... 28

3.2 离心泵流场数值计算及结果验证 ............................... 29

3.2.1 流场控制方程 ........................................ 29

3.2.2 湍流模拟方法 ........................................ 30

3.2.3 控制方程离散及求解方法 .............................. 32

3.2.4 离心泵计算域网格划分及求解设置 ...................... 33

3.2.5 数值计算结果与试验验证 .............................. 36

3.3 离心泵声场数值计算方法 ..................................... 39

3.3.1 声学控制方程 ........................................ 39

3.3.2 声学边界元方法 ...................................... 39

3.3.3 声振耦合计算 ........................................ 40

3.4 本章小结 ................................................... 41

第四章不同出口角下离心泵流场及声场数值分析 ........................ 42

4.1 叶片出口角的选择 ........................................... 42

4.1.1 出口角与理论扬程关系 ................................ 42

4.1.2 叶片出口角选择 ...................................... 43

4.2 计算模型及网格 ............................................. 44

4.3 流场计算结果及分析 ......................................... 45

4.3.1 离心泵外特性 ........................................ 45

4.3.2 出口角对离心泵定常流场影响 .......................... 46

4.3.3 出口角对泵内压力脉动影响 ............................ 49

4.3.4 出口角对叶轮受力的影响 .............................. 52

4.4 声场计算及分析 ............................................. 54

4.4.1 离心泵声场计算步骤 .................................. 54

4.4.2 出口角对蜗壳表面振速影响 ............................ 55

4.4.3 出口角对泵外辐射声场影响 ............................ 58

4.5 本章小结 ................................................... 60

第五章结论与展望 .................................................. 61

5.1 结论 ....................................................... 61

5.2 展望 ........................................................ 61

参考文献 ........................................................... 63

在读期间公开发表论文和承担科研项目及取得成果 ....................... 66

致谢 ............................................................... 67

第一章绪论

1.1 研究背景及意义

作为传统的水利输送机械，离心泵在国民经济以及各行各业中的应用非常广

泛。离心泵不仅广泛的应用在农田水力、城市给排水系统，以及工厂、楼宇等民

用设施中，同时也是大型军事设备中重要的辅助装置。然而，随着工业发展以及

对产品经济性与成本控制的要求的提高，离心泵的体积越来越小而转速越来越高。

高转速必然引起离心泵运转过程产生的噪声越来越大。

噪声问题是叶轮旋转机械类设备普遍面临的一个问题。许多叶轮旋转机械如

离心泵等在运转过程中产生的噪声是目前噪声污染的主要组成因素。离心泵产生

的噪声不仅给人们日常的生产生活带来干扰，影响人们的工作、学习和休息。同

时，在一些军用设备上，其噪声的产生也严重影响了潜艇等的声隐身性性能，给

这些设备的安全性带来威胁。结合目前对“安静型”潜艇的设计需求，离心泵产

生的噪声问题已经是无法回避的问题，越来越引起人们的重视，对其研究也具有

十分重要的意义。

离心泵噪声按照产生原因可以分为三部分：电机噪声、机械噪声以及流动诱

导噪声。其中，电机噪声相对较小；机械噪声由泵体及管路机械结构振动产生，

一般在泵房可以通过放置橡胶剪切隔振器或者弹簧隔振器等消除 80%~90%左右

的振动，对其控制的技术也比较成熟。而流动诱导噪声是由于离心泵叶轮在流体

中高速旋转，与流体发生相互作用引起内部流体强烈的压力脉动而产生，是离心

泵中的主要噪声。目前国内对离心泵流动诱导噪声的研究尚在起步阶段，对其产

生机理以及运行工况、结构形状等的影响因素的研究也正受到研究者们的重视。

叶片出口角作为离心泵叶轮结构设计的重要几何参数，对离心泵外特性以及内部

流场特性都有重要影响。研究叶片出口角与离心泵流动诱导噪声的关系对离心泵

降噪减振等有重要的参考意义。本文将从试验和数值计算两方面着手，分析离心

泵内部压力脉动特性，探讨叶片出口角对离心泵内部流场及流动诱导噪声的影响。

1.2 国内外研究现状

关于离心泵流动诱导噪声的研究，国内外学者做了大量的研究工作。早年由

于技术发展的限制，采用的研究手段主要是理论分析和试验方法。近年来，由于

计算机技术以及尖端测试设备的发展，对其离心泵流动噪声的研究也更加深入。

尤其是 CFD 技术以及高性能计算机的发展，使得采用数值模拟方法来分析的研究

越来越多。

叶片出口角对离心泵流动诱导噪声影响的研究

1.2.1 理论分析

1952 年，Lighthill[1]首先推导了来研究流体发声机理的方程，这被普遍认为

是气动声学理论出现的标志同时也是解决旋转机械等的内部流动噪声的基础理

论。然而由于该方程是在自由空间的假设下得到的，因此仅适用于固体边界不起

主要作用的场合。

1955 年，Curle[2]采用吉尔霍夫方法，在考虑固体边界影响的基础上进一步完

善了 Lighthill 方程并成功将其应用于解决圆柱涡脱落产生的噪声等问题。但 Curle

的理论由于没有考虑到如何计算运动固体壁面与流体相互作用的情况，因此并不

适合来求解旋转机械内部的流动噪声。

1969 年，Williams 和Hawkings[3]在Lighthill 方程基础上，充分考虑到运动边

界对流动噪声的影响，发展形成了应用更加广泛的 FW-H 方程。然而，FW-H 方

程的理论前提仍然是假定声源为静止声源。一直到 1974 年，Goldstein[4]采用格林

函数求解均匀介质下物体的发声问题，并得到了普遍的结果被称为广义 Lighthill

方程。

2004 年，Langthjem[5]等在求解离心泵二维流动诱导噪声问题时提出了一种先

求解流场非定常力，进而以非定常力为激励求解内声场的方法。这种分步计算求

解声场的方法快速准确，为以后求解三维离心泵流动噪声奠定基础。本文对离心

泵噪声的计算求解也是以此为基础的。

1.2.2 试验研究

试验方法是研究和分析问题最直接有效的方法，同时是分析离心泵内外部特

性的主要方法之一。早期的离心泵试验台由于智能测量仪器发展的限制，主要用

于分析离心泵性能曲线以及气蚀等外特性[6-7]。随着计算机数据自动采集系统以及

各种尖端测试设备及传感器的发展，对离心泵泵内流场特性的分析更加深入和精

确。特别是 PIV（粒子成像测速系统）技术的出现，使研究者可以直接提取到大

量空间点的丰富的流场信息，并以此为基础计算得到所需数据。例如，1995 年

Chu 等[8]采用 PIV 方法对一离心泵内部速度场进行了测量，并通过计算得到了压

力场。Steven 等[9] 在2005 年通过 PIV 技术对一血液离心泵不同运行工况下的进

出口流场以及叶轮流道内流场进行测量，结果显示无论在大工况（9L/min）还是

小工况（3L/min）时，流场内的粘性以及雷诺剪切应力等均在临界值以内。

由于离心泵运转过程中，机械噪声与流动噪声同时存在，单独对流动噪声进

行测量并不容易，因此对流动噪声的分析常常转化为对离心泵内部压力脉动特征

的分析以及脉动与噪声关系的研究。国内外在这方面做了大量的试验。早在 1966

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摘要：

摘要流动诱导噪声是离心泵产生的主要噪声之一，其发生特性及强度大小与泵内流体的压力脉动直接相关。离心泵运行时，叶轮在蜗壳内高速旋转，叶片与流体发生强烈的相互作用是压力脉动产生的主要原因。不同几何特征的叶片引起的压力脉动不同，对噪声也产生不同的影响。叶片出口角是离心泵叶轮的重要几何参数，对其与离心泵压力脉动及流动诱导噪声的关系的研究将对今后水泵的降噪优化设计提供有意义的参考。本文首先采用试验与数值计算两种手段对离心泵内的压力脉动产生机理与分布特性进行研究，然后采用数值方法对离心泵在不同出口角下的流场及外声场特性进行研究，主要工作如下：1搭建了离心泵性能及内部压力脉动测试试验台。按照国标要求并根据本...

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