双吸泵作液力透平流致振动噪声研究

摘要

液体压力能与传统能源相比，具有可再生、零污染等优点，而泵反转作液力透平在小功率液力能回收中应用最为广泛。针对泵作液力透平的振动与噪声问题，本文以双吸式离心泵反转作液力透平为研究对象，全面地分析了模型泵内部的定常流场分布，非定常压力脉动特性，泵壳流致振动响应特性，流体流动诱发内声场与外辐射声场特性，并对比双吸泵正转工况的结果。本文的结论解释了泵作液力透平振动与噪声问题较为突出的部分原因，为泵作液力透平以及泵的减振降噪工作提供参考。研究主要内容包括:
　　1.归纳并整理了国内外关于双吸泵，泵作液力透平与泵噪声的相关研究报道，分析了泵作液力透平研究，泵的噪声研究的未来主要趋势。
　　2.完成了双吸泵作液力透平工况与泵工况的全流道定常流场与非定常流场的CFD计算，通过双吸泵作液力透平的外特性试验结果，验证了CFD流场计算的可靠性。结果揭示在这两种工况下流场分布的差异，同时分析比较了蜗壳与叶轮流道内部的非定常压力脉动特性，液力透平工况时隔舌附近监测点压力脉动显著强于泵工况，且在叶轮进口监测点与叶轮中部监测点处压力脉动幅值也高于泵工况
　　3.基于声学直接边界元法(BEM)，建立了双吸泵作液力透平与泵两种工况下蜗壳偶极子声源与叶片偶极子声源诱发的内声场计算模型，计算结果得出了声学边界元模型表面声压级分布，以及内部主要监测点的声压级频率响应函数，并且比较了两种工况的声压级差异，双吸泵作液力透平时的最高声压级明显高于泵工况。
　　4.基于有限元法(FEM)，对双吸泵泵壳的固有模态进行分析计算，得出了泵壳模态的固有频率及对应各阶振型;针对液力透平与泵两种工况泵壳内表面上不同的流体压力激励，完成基于泵壳模态的强迫振动响应计算，得到了泵壳上的响应速度分布，同时也提取了泵壳表面监测点各方向（X，Y，Z向）上的振动响应速度频谱，揭示了这些振动响应速度随着频率变化规律。
　　5.基于声振耦合计算，即通过声学间接边界元(IBEM)与有限元(FEM)相结合的方法，对双吸泵作液力透平及泵工况内部流动所诱发的外辐射声场进行。在泵壳外部设置了两个场点平面以及场点球面以及围绕泵壳的指向性场点网格，可以较为全面揭示泵壳外部空间上的声压指向性分布以及声压级分布，其中，泵壳外部空间上，液力透平工况时的最高声压级要高于泵工况。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 双吸泵

1．2．2 泵作液力透平

1．2．3 泵的噪声研究

1．3 数值计算软件简介

1．4 研究趋势和主要内容

1．4．1 研究趋势

1．4．2 主要内容

第二章 双吸泵作液力透平的流场仿真与试验验证

2．1 双吸泵作液力透平的水力设计

2．1．1 叶轮主要参数的设计

2．1．2 蜗壳及出水室流道主要参数设计

2．1．3 双吸泵作液力透平半螺旋形出水室的设计计算

2．1．4 模型泵作液力透平的主要参数

2．2 模型泵作液力透平的外特性试验

2．3 流场计算

2．3．1 流场计算方法简介

2．3．2 流体网格的划分及网格无关性验证

2．3．3 湍流模型

2．3．4 求解器设置

2．3．5 边界条件的设置

2．3．6 监测点设置

2．4 数值模拟试验验证

2．5 定常计算结果

2．6 非定常计算结果

2．6．1 蜗壳区域压力脉动

2．6．2．叶轮流道内部压力脉动

2．6．3 结论

2．7 小结

第三章 双吸泵作液力透平内声场计算

3．1 声场数值计算

3．1．1 声学基本概念

3．1．2 声学基本方程

3．1．3 声学边界条件

3．1．4 声学数值方法

3．1．5 叶轮机械的流体噪声计算

3．2 内声场边界元计算

3．2．1 边界元网格

3．2．2 流体属性

3．2．3 数据迁移计算

3．2．4 边界条件设置

3．2．5 声学响应计算

3．2．6 场点网格设置及场点计算

3．3 蜗壳偶极子内声场的计算结果

3．3．1 蜗壳偶极子声源

3．3．2 液力透平工况蜗壳偶极子内声场计算结果

3．3．3 泵工况蜗壳偶极子内声场计算结果

3．3．4 泵作液力透平工况与泵工况的场点声压级频率响应比较

3．4 叶片偶极子内声场的计算

3．5 小结

第四章 泵壳流致振动计算

4．1 模态计算与基于模态的强迫响应计算

4．2 固有模态计算

4．2．1 模态计算设置

4．2．2 自由振动模态分析

4．2 基于双吸泵泵壳模态的强迫振动响应

4．2．1 双吸泵作液力透平工况速度响应

4．2．2 泵工况速度响应

4．2．3 两种工况下的振动响应频谱

4．3 小结

第五章 双吸泵作液力透平外辐射声场计算

5．1 辐射外声场计算

5．1．1 声振耦合计算

5．1．2 外声场计算流程

5．1．3 外辐射声场计算场点网格

5．2 外辐射声场计算结果

5．2．1 声场指向性分布分析

5．2．2 外声场声压级分布分析

5．3 小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文