周云龍 呂遠(yuǎn)征

(東北電力大學(xué) a.能源與動(dòng)力工程學(xué)院；b.自動(dòng)化工程學(xué)院)

基于流聲耦合法的離心泵空化流動(dòng)噪聲特性研究*

周云龍*a呂遠(yuǎn)征b

(東北電力大學(xué) a.能源與動(dòng)力工程學(xué)院；b.自動(dòng)化工程學(xué)院)

利用流聲耦合法對離心泵的水動(dòng)力噪聲進(jìn)行數(shù)值模擬，研究汽蝕發(fā)展程度對水動(dòng)力噪聲的影響。流聲耦合方法選擇大渦模擬(Large Eddy Simulation，LES)和全空化模型對離心泵流場進(jìn)行非定常計(jì)算，再以聲學(xué)有限元混合方法(CFD/FEM)將流場信息轉(zhuǎn)化為噪聲信號。通過對比試驗(yàn)可知，模擬信號與實(shí)際信號吻合度較高，充分驗(yàn)證了方法的可行性。隨后改變模擬條件，使汽蝕從無到嚴(yán)重發(fā)展，從而得到一系列流場云圖和水動(dòng)力噪聲信號。結(jié)果表明，初生期汽蝕的形成過程可劃分為3個(gè)階段，各階段的流場云圖均存在較大差異，噪聲頻譜也有區(qū)別。汽蝕發(fā)展程度可以在水動(dòng)力噪聲頻譜上得以體現(xiàn)，尤其在臨界汽蝕余量點(diǎn)附近，噪聲頻譜趨勢圖存在明顯特征。

離心泵 汽蝕 水動(dòng)力噪聲 CFD 故障診斷

文章適合運(yùn)用大渦模擬方法(LES)[2]求解各個(gè)工況下的非定常流動(dòng)，它將湍流中大小尺度脈動(dòng)區(qū)分開來，大尺度結(jié)構(gòu)依舊進(jìn)行完全模擬，而用亞格子應(yīng)力(SGS)模型求解小尺度脈動(dòng)[3]，在保證精度的同時(shí)有效降低了計(jì)算量。水動(dòng)力噪聲主要由湍流與固體邊界耦合誘發(fā)引起，偶極子聲源為主要組成部分，也包含一定的單極子、四極子聲源項(xiàng)[4]。汽蝕故障形成的空化流動(dòng)使得葉輪內(nèi)流場發(fā)生改變，根據(jù)Lighthill聲類比理論，這會導(dǎo)致水動(dòng)力噪聲發(fā)生改變[5,6]。建立兩者的對應(yīng)聯(lián)系與規(guī)律，就可以通過分析水動(dòng)力噪聲來判斷是否發(fā)生汽蝕，這對工程應(yīng)用具有重要意義。

1 離心泵參數(shù)

筆者對某公司ISWB65-160型臥式離心泵(圖1)進(jìn)行水動(dòng)力噪聲的數(shù)值模擬和驗(yàn)證試驗(yàn)，工作環(huán)境25℃，輸送工質(zhì)為清水，額定流量Q=25m3/h，額定轉(zhuǎn)速n=2900r/min，額定揚(yáng)程H=32m，入口直徑D1=65mm，出口直徑D2=65mm，葉輪直徑d=160mm，封閉式葉輪形式，設(shè)置5片葉片，出口寬度b2=10.6mm。

圖1 ISWB65-160型臥式離心泵

利用SolidWorks2014對離心泵工質(zhì)過流區(qū)域進(jìn)行幾何造型，為了更好地對流場、聲場數(shù)值模擬進(jìn)行劃分網(wǎng)格，需要對造型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕c修改(圖2)。

圖2 簡化后的離心泵幾何造型

2 流場計(jì)算

2.1模擬方法

流聲耦合需要CFD數(shù)據(jù)，筆者利用大渦模擬方法進(jìn)行求解。大渦模擬方法的控制方程是通過一定的濾波算法將NS方程濾波，尺度小于濾波寬度的小渦將被過濾掉，只對大于濾波寬度的渦進(jìn)行完全求解，小尺度渦用亞格子模型專門求解。濾波后的連續(xù)性方程表示為：

(1)

NS方程可以表示為：

(2)

電動(dòng)汽車參與運(yùn)行備用的能力評估及其仿真分析//吳巨愛,薛禹勝,謝東亮,岳東,文福拴,趙俊華//(13):101

亞格子模型選用壁掛式本地渦粘度模型[7](WALE)，方程如下：

(3)

Ls=min(kd,CωV1/3)

(4)

(5)

(6)

2.2空化模型

Singhal模型是簡化的Rayleigh-Plesset(R-P)方程的空化模型之一[8]，可以較好地與均質(zhì)多相模型耦合對空化過程進(jìn)行求解[9]，其主要方程如下：

(7)

(8)

其中，Ce=0.02，Cc=0.01。

2.3計(jì)算方法

使用STAR-CCM+9.02軟件模擬離心泵內(nèi)三維流場，網(wǎng)格分為兩個(gè)計(jì)算域：葉輪區(qū)域與蝸殼區(qū)域。利用STAR-CCM+獨(dú)有的非結(jié)構(gòu)化12面體網(wǎng)格對幾何造型進(jìn)行劃分，葉輪區(qū)域需要對葉片根部進(jìn)行適當(dāng)加密，網(wǎng)格數(shù)量為151 243，如圖3a所示，蝸殼部分要對蝸舌附近進(jìn)行適當(dāng)加密，網(wǎng)格數(shù)量為31 112，如圖3b所示。

a. 葉輪 b. 蝸殼

圖3 葉輪與蝸殼網(wǎng)格劃分

葉輪區(qū)域?yàn)榛瑒?dòng)網(wǎng)格，設(shè)置通過interface與蝸殼區(qū)域連接，利用網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)隨時(shí)間真實(shí)運(yùn)動(dòng)來進(jìn)行模擬，設(shè)定葉輪每轉(zhuǎn)過1°所用時(shí)間Δt為一個(gè)時(shí)間步，則Δt=0.5747μs，定常計(jì)算時(shí)采用k-ε湍流模型，非定常計(jì)算采用大渦模擬方法。離心泵入口設(shè)定為靜止壓力入口，出口為質(zhì)量流量出口，通過改變?nèi)肟趬毫砜刂破g的劇烈程度[10]，所有的計(jì)算區(qū)域均設(shè)定壁面設(shè)定為無滑移壁面條件。非定常模擬中每個(gè)時(shí)間步內(nèi)部迭代100次，設(shè)置殘差收斂于10-4，設(shè)置收斂后每隔0.001s導(dǎo)出一次流場數(shù)據(jù)，供生成泵內(nèi)氣液相云圖和模擬噪聲。

3 聲場計(jì)算

3.1Lighthill聲類比變分式

流聲耦合進(jìn)行聲場計(jì)算還需要利用基于有限元的Lighthill聲類比變分式來提取聲源，其主要方程如下：

(9)

3.2計(jì)算方法

利用ACTRAN軟件提取流場信息，進(jìn)行聲學(xué)有限元聲傳播計(jì)算，聲學(xué)網(wǎng)格分為葉輪、蝸殼、殼外有限元部分和遠(yuǎn)場無限元部分4部分。葉輪和蝸殼內(nèi)為水，蝸殼設(shè)置為薄殼，賦予鑄鐵HT250材料，當(dāng)量厚度5mm，殼外有限元賦予空氣。葉輪部分簡化為面聲源，蝸殼部分設(shè)置為體聲源，并且在蝸舌處設(shè)置場點(diǎn)記錄噪聲，聲傳播網(wǎng)格如圖4所示。

圖4 聲傳播網(wǎng)格

4 模型驗(yàn)證

對ISWB65-160離心泵的額定工況進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，設(shè)定入口壓力101kPa(有效汽蝕余量NPSHa=10.10m)，出口質(zhì)量流量為6.944kg/s，25℃清水臨界壓力為3 167Pa。流場的采樣頻率為2 000Hz，即噪聲信號范圍為0～1 000Hz。同時(shí)對離心泵進(jìn)行同等條件的試驗(yàn)，在水泵蝸舌表面安置聲音傳感器，并對信號進(jìn)行降噪、增益處理，參考聲壓級PREF=10-5Pa,采樣頻率同樣設(shè)定為2 000Hz。對兩種方式得到的聲音信號作傅里葉變換，并作對比(圖5)。驗(yàn)證明，離心泵主要特征參數(shù)對比見表1。

圖5 結(jié)果對比圖

表1 離心泵主要特征參數(shù)對比表

從圖5可以看出，數(shù)值計(jì)算的結(jié)果在整體趨勢基本上與試驗(yàn)結(jié)果相同，屬于離散噪聲的工頻、葉片通過頻率及其倍頻均得到很好的體現(xiàn)，寬頻帶的各個(gè)頻率分布也比較接近實(shí)際信號。表1對幾個(gè)特征參數(shù)進(jìn)行了更具體的對比，揚(yáng)程、流量、臨界汽蝕余量(NPSHc)均與試驗(yàn)值差距不大，噪聲的幾個(gè)主要頻率中，48、241、482Hz分量模擬值的誤差均在2%以下，724Hz分量與964Hz分量的誤差上升，這與文獻(xiàn)[11]所描述的情況類似。通過分析，造成誤差上升主要有兩方面原因，一方面流聲耦合是計(jì)算流體力學(xué)與氣動(dòng)噪聲學(xué)的交叉學(xué)科，模型的相互調(diào)用需要作出一些簡化與假設(shè)，理論上正確但會對計(jì)算結(jié)果造成一定的影響[12]；另一方面，964Hz頻段已經(jīng)接近聲音傳感器的截?cái)囝l率，一定會產(chǎn)生部分失真，實(shí)際的聲壓級應(yīng)該比試驗(yàn)結(jié)果要更高一些。綜上所述，流聲耦合模型基本符合客觀事實(shí)，可以進(jìn)行下一步計(jì)算。

5 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

5.1典型氣相云圖及噪聲頻譜

模型確定后，利用數(shù)值模擬成本低、周期短和容易模擬非常規(guī)條件的特點(diǎn)，從101kPa開始逐漸降低入口壓力，分別生成流場云圖和噪聲頻譜。在模擬的過程中可以發(fā)現(xiàn)，初生期汽蝕的云圖按有效汽蝕余量NPSHa的不同基本可以分為3類：NPSHa=11.00m時(shí)(正常工況)，整個(gè)離心泵只有部分葉片根部間歇性的出現(xiàn)微小汽泡，氣泡生成與潰滅過程極短，氣相所占最大百分比僅為2.27%(圖6a)，噪聲頻譜整體聲壓級比較低，峰值在葉片通過頻率處(圖6b)；NPSHa=1.75m時(shí)(微汽蝕工況)，所有葉片根部均開始出現(xiàn)空化流動(dòng)，流道雖未開始阻塞但是入口處含氣率上升，靠近蝸舌出的葉片根部最大體積含氣率可達(dá)73%，此時(shí)揚(yáng)程下降接近3%，氣相分布如圖7a所示，噪聲聲壓級整體上升，觀察其頻譜發(fā)現(xiàn)峰值出現(xiàn)在482Hz處(圖7b)；NPSHa=1.50m時(shí)(典型汽蝕工況)，氣泡的產(chǎn)生與潰滅過程非常劇烈，且汽泡開始阻塞流道，嚴(yán)重時(shí)會完全阻塞葉輪，此階段揚(yáng)程會大幅下降，多處位置體積含氣率接近87%，離心泵已經(jīng)不能正常工作，氣相分布如圖8a所示，噪聲整體聲壓級繼續(xù)提高，高頻分量增長幅度最大，如圖8b所示。

a. 氣相分布

b. 噪聲頻譜

a. 氣相分布

b. 噪聲頻譜

a. 氣相分布

b. 噪聲頻譜

顯然，隨著NPSHa的降低，離心泵內(nèi)的流型會發(fā)生明顯的改變，水動(dòng)力噪聲也同時(shí)會發(fā)生改變。

5.2噪聲頻譜變化趨勢

對正常工況、微汽蝕工況和典型汽蝕工況繼續(xù)細(xì)化研究，著重在NPSHc點(diǎn)附近選取更多工況進(jìn)行模擬，生成工頻、葉片通過頻率及其倍頻的幅值隨入口壓力變化曲線如圖9a所示，建立揚(yáng)程與入口壓力變化曲線如圖9b所示。

a. 聲壓級 b. 揚(yáng)程

通過圖9可以看到，當(dāng)離心泵入口壓力大于2.1kPa時(shí)屬于正常工況，揚(yáng)程幾乎沒有變化，在這個(gè)范圍內(nèi)水動(dòng)力噪聲的整體聲壓級是隨著入口壓力的減少而緩慢降低的，只有482Hz頻率分量不斷地上升。當(dāng)入口壓力小于2.1kPa，進(jìn)入早期汽蝕工況，葉輪內(nèi)開始有少量氣泡產(chǎn)生與膨脹，導(dǎo)致壓力增大使得揚(yáng)程略微增加，同時(shí)噪聲各個(gè)頻率分量均發(fā)生明顯變化，48、724Hz分量下降后又迅速上升，482Hz頻率分量聲壓級變化速率開始減緩。達(dá)到臨界汽蝕(虛線處)附近后，微小氣泡對流場的影響開始加速，由于入口受到微小氣泡的阻塞，揚(yáng)程下降約3%，所有的頻率分量的變化率明顯增加。入口壓力低于1.7kPa后，進(jìn)入典型汽蝕工況，葉輪內(nèi)流型較之前完全不同，各個(gè)流道均被氣泡造成不同程度的阻塞，揚(yáng)程等性能參數(shù)大幅度下降。水動(dòng)力噪聲頻譜的峰值分布也隨之發(fā)生變化，除整體聲壓級大幅度上升以外，各個(gè)主要頻率的聲壓級發(fā)生了跳躍性的改變。

6 結(jié)束語

筆者利用STAR-CCM+9.02軟件，采用大渦模擬方法與全空化模型計(jì)算離心泵內(nèi)各個(gè)工況的流場，再利用ACTRAN軟件，采用CFD/FEM混合方法將流場轉(zhuǎn)化為聲場完成流聲耦合。首先對額定工況下的蝸舌處的水動(dòng)力噪聲進(jìn)行模擬，模型驗(yàn)證成功后，通過改變?nèi)肟趬毫τ?jì)算了汽蝕從無到有的各個(gè)工況下的水動(dòng)力噪聲，并可知：流聲耦合方法可以模擬離心泵在不同汽蝕程度下的水動(dòng)力噪聲，模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合度較好；結(jié)合數(shù)值模擬，將汽蝕故障的形成過程劃分為3個(gè)階段，并得出各階段噪聲的主要頻率變化趨勢；離散噪聲成分在NPSHc點(diǎn)附近存在較大變化，可作為診斷汽蝕故障的依據(jù)。

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ResearchonCavitatingFlow-inducedNoiseCharacteristicsofCentrifugalPumpsBasedonFluid-AcousticCouplingMethod

ZHOU Yun-longa, LV Yuan-zhengb

(a.SchoolofEnergyandPowerEngineering;b.SchoolofAutomation,NortheastDianliUniversity,Jilin132012,China)

The fluid-acoustic coupling method was used to simulate hydrodynamic noise of centrifugal pumps and to investigate cavitation effect on hydrodynamic noise, in which, the fluid-acoustic coupling method adopts LES (large eddy simulation) and full-cavitation model to implement unsteady calculation in the pump flow field, and then employing CFD/FEM method to transform flow field information into the noise signal. The contrast test shows that the computational signals coincide better with experimental results and this proves the feasibility of this method. Changing simulation conditions and developing cavitations to get a series of flow maps and signals show that three stages can be seen in forming process of early cavitations which has different flow maps and noise signals; and the development of cavitations can be reflected in spectrums of the noise, especially near NPSH’s critical point where the noise spectrum’s trend chart has obvious features.

centrifugal pump, cavitation, hydrodynamic noise, CFD, fault diagnosis

TQ051.21

A

0254-6094(2016)01-0083-06

*吉林省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(20130206008GX)。

**周云龍，男，1960年2月生，教授。吉林省吉林市，132012。

2015-03-08，

2016-01-17)