漩涡自吸泵流动噪声数值模拟研究

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漩涡自吸泵在化工、医药等工业领域中有着广泛的应用,环境污染随着近代工业的发展而产生,噪声污染作为环境污染的一种,已经成为威胁人类健康生活的一大危害。环境噪声标准日益严格,漩涡泵内部流动是管路系统主要噪声源。所以研究漩涡自吸泵流动噪声产生机理迫在眉睫。本文首先对漩涡自吸泵流场区域压力脉动进行研究,然后对由流体与结构耦合引起的泵内外声场进行了分析。本文的主要研究内容与创新点有:  (1)研究了漩涡自吸泵内部流动噪声的机理,采用声比拟理论对漩涡自吸泵内的流体噪声声源进行分析,利用声振耦合分析泵体振动声源。  (2)采用CFD对漩涡自吸泵内部流场进行数值模拟,将数值模拟结果与试验值对比,两者之间基本是吻合的。证明了数值模拟的准确性与可靠性,分析了泵内部压力场的分布,由于叶轮的做功,泵体与其组成的环形流道内的压力呈阶梯型增长趋势。  (3)在定常数值模拟的基础上,对漩涡自吸泵进行非定常数值计算,提取泵内部监测点的压力脉动。研究表明:泵进出口处压力脉动主频为转频或叶频;与叶轮接触的环形流道内主频为单边叶频,径向方向叶频也存在较明显的峰值;靠近壁面的环形流道内,能量集中在单边叶片通过频率及其倍频处。流动沿着流道深入低频段也出现脉动能量分量;在隔板间隙处能量值更大,除低频段有明显的波动外,峰值集中在单边叶频及其倍频段,径向间隙随边缘部位往中间部位推进,单边叶频与叶频能量值呈此消彼长趋势,中间部位叶频为主频;叶轮上的压力脉动转频为主频,峰值分布在转频及其倍频,随倍数的增加能量值依次降低。  (4)对流体与结构相互影响产生的泵内部的噪声源种类进行分析,然后进行叶轮和泵体结构模态的分析,结果表明:叶轮的固有频率,远远大于叶片上的压力脉动峰值对应的频率,表明可以忽略此种噪声源的影响。确定对泵内部声场采取直接边界元进行求解。然后将各个声源在泵壁面辐射的声压作为载荷,基于声振耦合求解泵外部声场。  (5)对漩涡自吸泵各个流动声源产生内声场进行数值模拟,并对叶片偶极子声源采取宽频计算。研究表明:叶片旋转偶极子源在泵内的声场能量低频段远大于中高频段,峰值集中在转频及其倍频,小流量下声压级大于大流量下,各个工况下声场在各个频段规律性趋于一致;泵体偶极子声源产生的内声场声压级峰值集中在转频、单边叶频及其倍频,高频处声压级较大。泵内压力脉动激励泵体振动在泵内产生声压级峰值对应的频率在单边叶频及其倍频,声压级远远小于流体声源。  (6)基于声振耦合对流体声源以及流致振动在泵外声场辐射进行计算。分析这三种声源在泵外部的声场辐射。计算结果表明:叶片偶极子声源以及流致振动产生的声场在单边叶频对应幅值大于叶频,而壁面偶极子源产生的声场情况相反。三种声源在外声场的贡献量,叶片偶极子声源最小,流致振动声辐射在单边叶频处声压最大,壁面偶极子声源在叶频处噪声贡献量最大。  (7)对漩涡自吸泵隔板处间隙进行了优化,并进行了试验验证得出,增加间隙能够降低外声场声压级值,为以后漩涡自吸泵噪声的声优化提供了思路。
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