張小雨，成 立，顏紅勤，蔣紅櫻

（1.揚(yáng)州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009；

2.江蘇省水利工程科技咨詢股份有限公司，江蘇 南京 210029）

泵站是集水力機(jī)械、電氣設(shè)備與水工建筑物于一身的水利工程［1-2］，江蘇作為南水北調(diào)東線工程的源頭，境內(nèi)分布著大量水泵站。由于江蘇地處我國大陸東部沿海地區(qū)中部，位于長江和淮河下游，地勢(shì)平坦且低洼，所以江蘇境內(nèi)的泵站多是立式泵站。這些泵站具有揚(yáng)程低、流量大以及年利用小時(shí)數(shù)多等特點(diǎn)，在跨區(qū)域調(diào)水、防洪排澇以及改善生態(tài)環(huán)境等方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，為現(xiàn)代化經(jīng)濟(jì)建設(shè)作出巨大的貢獻(xiàn)。因此泵站安全高效運(yùn)行對(duì)于抵御自然災(zāi)害，保證農(nóng)業(yè)穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)，對(duì)江蘇省國民經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定持續(xù)發(fā)展起巨大作用。

隨著我國泵站工程技術(shù)的發(fā)展，江蘇省內(nèi)大中型立式泵站改造工作的深入開展，水泵機(jī)組的噪聲逐漸成為影響環(huán)境的突出問題，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)：ι眢w健康。水泵噪聲不僅僅局限于機(jī)械振動(dòng)噪聲，按發(fā)聲機(jī)理還包括流致噪聲［3］。水泵機(jī)械噪聲多是由于水泵轉(zhuǎn)動(dòng)部件和傳動(dòng)裝置等質(zhì)量不平衡、制造工藝或者安裝質(zhì)量較差等因素誘發(fā)的，隨著制造工藝以及對(duì)水泵機(jī)械振動(dòng)方面的認(rèn)知的進(jìn)步，目前水泵機(jī)械噪聲在很大程度上得到優(yōu)化，因此對(duì)于水泵機(jī)械振動(dòng)噪聲已無太大的改善空間。水泵流致噪聲是指泵內(nèi)部流體與固體邊界相互作用以及泵內(nèi)部流體的非定常流動(dòng)所引起的輻射噪聲［4-7］，這類噪聲形成機(jī)理較為復(fù)雜，影響因素也較多，逐漸成為泵類流體機(jī)械降噪減振研究的關(guān)鍵。

由于沙集泵站建成時(shí)間較早，在實(shí)際運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)存在噪聲超標(biāo)嚴(yán)重等問題，因此本文針對(duì)沙集泵站不同流量工況下泵內(nèi)流致噪聲特性進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

1 工程概況

沙集泵站位于睢寧沙集鎮(zhèn)南2 km的徐洪河上，距洪澤湖72 km，1993年竣工投運(yùn)，是徐洪河第二級(jí)泵站（江水北調(diào)第五梯級(jí)泵站），南水北調(diào)中運(yùn)河線并行泵站。該站與沙集船閘、廢黃河北閘組成一級(jí)水利樞紐，可直接抽引洪澤湖水，在保障徐州地區(qū)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、航運(yùn)、環(huán)保及調(diào)節(jié)駱馬湖水位方面起著重要的作用，同時(shí)具有分泄黃墩湖地區(qū)洪水等功能［8-9］。

該工程整體結(jié)構(gòu)采用閘站結(jié)合的形式，中間為抽水能力50 m3/s的抽水站，兩側(cè)布置設(shè)計(jì)流量為200 m3/s的節(jié)制閘，全部工程按I級(jí)水工建筑物設(shè)計(jì)，抗震標(biāo)準(zhǔn)按9度地震烈度設(shè)防。

沙集泵站為堤身式塊基型結(jié)構(gòu)，采用肘形進(jìn)水流道，平直管出水流道，快速閘門斷流，進(jìn)水流道進(jìn)口設(shè)置檢修閘門，快速閘門采用繩鼓式快速啟閉機(jī)操作。安裝5臺(tái)套1800HD-10.5型立式混流泵，單機(jī)設(shè)計(jì)流量為10 m3/s，設(shè)計(jì)揚(yáng)程10.5 m，抽水額定轉(zhuǎn)速是300 r/min，配套TL1600-20/2150主電機(jī)5臺(tái)，功率1 600 kW，總裝機(jī)容量8 000 kW。其水位組合和特征揚(yáng)程見表1和表2。

表1 沙集泵站水位組合

表2 沙集泵站特征揚(yáng)程

2 計(jì)算模型及數(shù)值模擬設(shè)置

2.1 計(jì)算模型

由于受計(jì)算資源的限制，在進(jìn)行流致噪聲特性分析時(shí)，需將進(jìn)出水流道簡(jiǎn)化為進(jìn)出水管道，采用UG三維建模軟件構(gòu)建聲學(xué)計(jì)算模型，計(jì)算域包括進(jìn)口段、葉輪、導(dǎo)葉、彎管和出口段5個(gè)部分，其中葉輪為旋轉(zhuǎn)部件，其余皆為靜止部件。其中設(shè)計(jì)流量為10 m3/s，泵彎管出水口徑為1 800 mm，轉(zhuǎn)速為300 r/min，葉輪葉片數(shù)為4，導(dǎo)葉葉片數(shù)為7。其三維造型如圖1所示。

圖1 三維造型

2.2 聲學(xué)網(wǎng)格劃分

由于該計(jì)算模型尺寸較大，且本文只研究泵內(nèi)部聲場(chǎng)，為避免資源浪費(fèi)，選用直接邊界元法進(jìn)行聲學(xué)仿真計(jì)算。聲學(xué)直接邊界元，只需將聲學(xué)空間離散成面網(wǎng)格，而無論是線性有限元模型還是邊界元模型，都是假設(shè)在最小波長內(nèi)有6個(gè)網(wǎng)格單元，即最大單元邊長要小于最高計(jì)算頻率點(diǎn)處波長的1/6［10-11］，因此，聲學(xué)網(wǎng)格的單元尺寸與計(jì)算頻率應(yīng)滿足如下對(duì)應(yīng)關(guān)系：

式中：L為網(wǎng)格單元尺寸；c為聲音在流體介質(zhì)中的傳播速度；fmax為最高計(jì)算頻率。

聲音在水中的傳播速度為1 500 m/s，本文最高計(jì)算頻率為400 Hz，結(jié)合計(jì)算模型的復(fù)雜程度，最終將網(wǎng)格尺寸定為60 mm，滿足聲學(xué)計(jì)算要求。劃分的聲學(xué)邊界元網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 聲學(xué)網(wǎng)格示意

2.3 數(shù)值模擬及聲學(xué)監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置

流致噪聲特性數(shù)值模擬建立在流場(chǎng)計(jì)算的基礎(chǔ)上，采用SSTk-ω湍流模型進(jìn)行定常和非定常計(jì)算，非定常計(jì)算以定常計(jì)算為初始條件，本文為滿足后續(xù)聲學(xué)計(jì)算的要求，特將時(shí)間步長設(shè)為0.00111 s，即葉輪旋轉(zhuǎn)2°所需時(shí)長，計(jì)算8個(gè)周期，總時(shí)長設(shè)為1.6 s，取后4個(gè)周期的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，以得到較為可靠的壓力脈動(dòng)信號(hào)。

將聲學(xué)網(wǎng)格和壓力脈動(dòng)數(shù)據(jù)導(dǎo)入到聲學(xué)軟件，建立流體材料并賦予其屬性，本文流體材料為水，其中水的密度為1 000 kg/m3，水中聲速為1 500 m/s，進(jìn)行聲學(xué)網(wǎng)格前處理，其目的是為了檢查及修正聲學(xué)網(wǎng)格，以保證該網(wǎng)格能適應(yīng)聲學(xué)直接邊界元環(huán)境。由于壓力脈動(dòng)信息是附著在流體網(wǎng)格上的，而流場(chǎng)網(wǎng)格和聲場(chǎng)網(wǎng)格單元節(jié)點(diǎn)不一致，因此需將數(shù)據(jù)映射轉(zhuǎn)移到聲學(xué)網(wǎng)格上，并進(jìn)行快速傅里葉變換。在定義扇聲源前，需將葉片分段，每一個(gè)分段相當(dāng)于一個(gè)“緊致”的聲源。在進(jìn)行數(shù)值計(jì)算前，定義無反射邊界條件，將模型壁面設(shè)為全反射壁面，泵進(jìn)、出口設(shè)為全吸聲屬性，聲阻抗值設(shè)為ρ·c=15×105kg/（m2·s）。

通過設(shè)置聲學(xué)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，能夠更清晰地了解聲學(xué)計(jì)算結(jié)果，以更好地分析泵內(nèi)部聲壓分布情況。聲學(xué)監(jiān)測(cè)如圖3所示。其中，P1為葉輪進(jìn)口監(jiān)測(cè)點(diǎn)，P2為葉輪出口監(jiān)測(cè)點(diǎn)，P3為導(dǎo)葉出口監(jiān)測(cè)點(diǎn)，P4為彎管監(jiān)測(cè)點(diǎn)，Inlet與Outlet為泵進(jìn)出口監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

圖3 聲學(xué)監(jiān)測(cè)點(diǎn)示意

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 外特性驗(yàn)證

沙集泵站試驗(yàn)與數(shù)值模擬外特性對(duì)比見圖4。由圖4可知，數(shù)值模擬曲線與試驗(yàn)曲線整體走向基本相同，吻合度較高。在0.8Qbep至1.0Qbep時(shí)，揚(yáng)程計(jì)算值比試驗(yàn)值大，而1.0Qbep至1.2Qbep時(shí)試驗(yàn)值則大于計(jì)算值，在設(shè)計(jì)流量下，揚(yáng)程計(jì)算值與試驗(yàn)值達(dá)到一致，均為10.5 m。數(shù)值模擬的效率整體上是高于模型試驗(yàn)的，這是由于對(duì)模型進(jìn)行了一些簡(jiǎn)化，且在計(jì)算過程中忽略了實(shí)際運(yùn)行時(shí)的能量損失，在設(shè)計(jì)點(diǎn)時(shí)，效率達(dá)到89%，此時(shí)效率試驗(yàn)值與效率計(jì)算值之間的差值小于1%。

圖4 試驗(yàn)與數(shù)值模擬外特性對(duì)比

3.2 葉片偶極子聲源誘發(fā)的噪聲

針對(duì)沙集泵站，對(duì)8 m3/s（0.8Qbep）、10 m3/s（1.0Qbep）以及12 m3/s（1.2Qbep）3種流量工況下葉片偶極子聲源誘發(fā)的泵內(nèi)部聲場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比分析。

圖5為不同流量工況下葉片偶極子聲源在各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的聲壓級(jí)頻率響應(yīng)曲線。由圖5可知，3種流量工況下的聲壓級(jí)頻率響應(yīng)曲線趨勢(shì)基本相似，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)整體上隨著流量的增大逐漸減小，不同工況下聲壓級(jí)值均隨著頻率的增大呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。葉片偶極子聲源誘導(dǎo)的噪聲主要包括寬頻噪聲和離散噪聲，不同流量工況的聲壓級(jí)頻響曲線均呈現(xiàn)出較強(qiáng)的離散特性，離散值均出現(xiàn)在葉頻及其倍頻處，表明葉輪與導(dǎo)葉的動(dòng)靜干涉作用引起的周期性壓力脈動(dòng)是導(dǎo)致流致噪聲產(chǎn)生的主要原因，在20 Hz時(shí)聲壓級(jí)出現(xiàn)最大值，說明葉頻是流致噪聲的主頻。對(duì)比3幅圖可以發(fā)現(xiàn)，不同流量工況下葉輪進(jìn)口監(jiān)測(cè)點(diǎn)的聲壓級(jí)整體上均要高于其他聲學(xué)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，這是因?yàn)樵谌~片偶極子聲源的影響下，葉輪進(jìn)口附近為最主要的噪聲源。

圖5 不同流量工況下葉片偶極子聲源在監(jiān)測(cè)點(diǎn)的聲壓級(jí)頻響曲線

由圖5可知，葉輪進(jìn)口監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的聲壓級(jí)較大，因此為進(jìn)一步對(duì)比分析，做出如圖6所示的不同流量工況下葉片偶極子聲源在葉輪進(jìn)口監(jiān)測(cè)點(diǎn)（P1）的聲壓級(jí)頻率響應(yīng)曲線圖。由圖6可知，小流量工況下的聲壓級(jí)值最大，設(shè)計(jì)流量工況次之，大流量工況最小，這是由于小流量工況下泵內(nèi)部流動(dòng)較不穩(wěn)定，引起的壓力脈動(dòng)更為劇烈，所以產(chǎn)生的流致噪聲更強(qiáng)。

圖6 不同流量工況下葉片偶極子聲源在P1監(jiān)測(cè)點(diǎn)的聲壓級(jí)頻響曲線

圖7為設(shè)計(jì)流量工況下葉片偶極子聲源誘導(dǎo)的前三階葉頻處混流泵邊界元表面聲壓級(jí)分布。由圖7可知，在泵進(jìn)口段聲壓梯度變化明顯，聲壓波動(dòng)較大，聲壓級(jí)最大值均出現(xiàn)在葉輪進(jìn)口附近，這與監(jiān)測(cè)點(diǎn)分析結(jié)果較為一致。在進(jìn)口區(qū)域還可以看到聲壓級(jí)較大值與較小值交替出現(xiàn)，呈現(xiàn)偶極子特性，隨著頻率增大，偶極子特性越來越明顯。通過對(duì)比3幅圖不難看出，隨著頻率升高，邊界元表面的聲壓級(jí)最大值與最小值都呈現(xiàn)出衰減的趨勢(shì)，衰減的速度隨著頻率的增大逐漸放緩。

圖7 1.0Qbep下葉片偶極子聲源邊界元表面聲壓級(jí)云圖

由圖7可知，葉頻（20 Hz）時(shí)為聲壓級(jí)值較大的頻率點(diǎn)，因此對(duì)該頻率點(diǎn)下的3種流量工況時(shí)的內(nèi)聲場(chǎng)進(jìn)行比較分析。葉頻處各工況下的邊界元表面聲壓級(jí)分布如圖8所示。對(duì)比這3幅圖可以看出，不同流量工況的聲壓級(jí)分布較為相似，彎管處的聲壓基本無明顯變化，說明此處的聲場(chǎng)較為穩(wěn)定；小流量與設(shè)計(jì)流量時(shí)的聲壓級(jí)值相差不大，但設(shè)計(jì)流量下的最小聲壓級(jí)區(qū)域比小流量大；隨著流量的增加，聲壓級(jí)逐漸呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，大流量下的最大聲壓級(jí)區(qū)域較其他兩種工況更小，說明此時(shí)的壓力脈動(dòng)幅度較小。

圖8 20 Hz下不同流量工況葉片偶極子聲源邊界元表面聲壓級(jí)云圖

4 結(jié)語

（1）通過對(duì)沙集泵站進(jìn)行聲場(chǎng)數(shù)值模擬可以得出，葉片偶極子聲源誘導(dǎo)的流致噪聲主要包括寬頻噪聲和離散噪聲，不同流量下均呈現(xiàn)出較強(qiáng)的離散特性，聲壓級(jí)離散值主要出現(xiàn)在葉頻及其倍頻處，主頻為葉頻（20 Hz），且隨著頻率的增加，聲壓級(jí)整體上呈下降的趨勢(shì)。

（2）在葉片偶極子聲源的影響下，葉輪進(jìn)口附近為最主要的噪聲源，因此聲壓級(jí)較大值主要出現(xiàn)在葉輪進(jìn)口附近；各監(jiān)測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)整體上隨著流量的增大逐漸減小，說明小流量工況下泵內(nèi)部流動(dòng)較不穩(wěn)定，進(jìn)而引起的壓力脈動(dòng)更為劇烈，導(dǎo)致誘發(fā)的流致噪聲更為強(qiáng)烈。