管道泵流动噪声模拟及仿生降噪研究

摘要

本文选取 LPP-390-2 型管道泵为研究对象，针对其运行时噪声过大的问题，基于CFD+Lighthill声类比理论采用数值模拟的方法在深入研究其内部流场的同时采用间接混合法对其内、外声场进行分析，探讨其流动噪声的诱因及声场特性，找出噪声源的位置及组成成分，并分析其辐射传播规律。参考苍鹰覆羽样本，利用相似准则建立仿生锯齿叶片模型，设计正交试验进行多目标降噪优化，获得噪声和水力性能均优的优化模型。 本文主要研究内容和成果如下： 1）采用CFX求解管道泵内部流场，通过定常与非定常计算获取其内部流场特征，并采用正则化螺旋度对其流场进行诊断，分析泵内部压力损失及能量突变原因。结果表面，叶轮进口、隔舌及叶轮出口处能量损失较大，容易诱导形成声源，叶频处脉动幅值最大，隔舌区域脉动峰值最高，压力变化最为剧烈。 2）提取流场模拟获得的声源信号，利用LMS Virtual.Lab求解管道泵内、外声场，找出主要噪声源，分析其声源特性及声传播特性，探讨流场对声场的影响。结果发现，声源主要集中蜗壳隔舌及出口附近的断面处，隔舌是噪声源的主要聚集区域，叶轮与隔舌的动静干涉是引起管道泵流动噪声的关键因素。叶频处声压级最大，且随着频率的增加噪声逐渐减小。在小于叶频的低频处，声波主要沿着其进、出口管路的水力近场传播，随着频率提高，声源辐射指向性明显，偏向叶轮下游的出口传播，同时开始透过泵壳向外进行辐射，且流量越大外部辐射噪声值越大。 3）参考苍鹰翼尾缘结构特征，利用相似准则建立仿生锯齿叶片模型，构建齿宽、齿距及齿高三个参数对仿生锯齿叶片几何形状进行控制。设计正交试验，采用直观和线性加权分析确定最优降噪模型。通过因素趋势分析发现，在样本空间内设计工况下扬程与齿宽值成正比，与齿距、齿高值成反比；效率值与齿距值成正比，随着齿宽、齿高值的增加有递减趋势，噪声随三个因素值增加没有严格的线性关系，但整体有递增趋势。 4）将原型与最优降噪模型的流场与声场性能进行对比，发现在额定工况下仿生锯齿叶轮与原型扬程基本相当，且具有更低的噪声和更好的效率，该结构能够抑制旋涡的初生、减小叶片吸力面涡流的聚集、减小叶轮出口尾流，明显降低隔舌附近压力脉动，进而降低水动力噪声。采用仿生锯齿叶片后，管道泵内部声压分布强度及分布区域明显减小，设计工况下叶频处出口场点声压级降低7.9dB，降噪效果明显。该结构主要是通过抑制叶频、2倍叶频等低频噪声来对管道泵噪声进行控制，达到降噪的目的，额定流量降噪效果最为明显，大流量工况次之，小流量工况噪声控制效果一般。

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