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《山东大学》 2016年
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变工况条件下基于三维流场的离心泵辐射噪声数值模拟研究

董沛鑫  
【摘要】:随着工业技术的进步,离心泵噪声成为新的环境污染源并且带来极大的弊端,恶化了泵的性能,使离心泵偏离了最佳效率工况点,降低了离心泵系统的运行效率,增加了能耗,影响了泵的经济性与安全可靠性,不仅如此,其运行过程中所产生的噪声恶化了工作人员的工作环境以及周围居民的生活质量,故研究其发声机理以治理噪声污染迫在眉睫。本文针对额定转速为1450r/min的某IS系列离心泵建立其三维流场计算模型,以大涡模拟得到的泵内全三维非稳态流场为基础,应用FW-H声学模型,通过设置外部监测点,并对其声压信号进行频谱分析的方法,研究离心泵辐射噪声在变转速工况以及变流量工况下的变化规律。通过对比设计参数、数值计算及试验结果的方法对所建立模型的准确性进行验证,验证结果表明此模型可准确地对后续流场及声场进行数值计算。首先,研究了转速在1000r/min到6000r/min之间变化时离心泵辐射噪声的变化规律,揭示了辐射噪声与转速之间的响应关系。模拟结果表明:叶轮辐射噪声总声压级在65dB到100dB间波动且随着转速升高呈现出非线性单调增长现象:当转速由1000r/min增大至1450r/min时,叶轮辐射噪声幅值骤增,增大约为13dB,而在其他转速区间内叶轮辐射噪声增加较缓,即转速每增加1000r/min,声压增长约为3.3dB,此区间内辐射噪声平均增长斜率约为转速介于1000r/min到1450r/min区间内增长斜率的1/6;蜗壳辐射噪声总声压级在72dB到100dB间波动且随着转速升高呈现出非线性单调增长现象:转速低于2000r/min或者高于2500r/min时,声压级增大较平缓,即转速每增加1000r/min,声压增大约为4dB,当转速介于2000与2500r/min时,声压级急剧增大,即转速每增加1000r/min,声压增长约为14dB,此转速区间内声压增长斜率明显高于其他转速区间(约为3.5倍)。其次,在变流量工况下,对离心泵辐射噪声的变化规律进行数值研究。模拟结果表明:在流量从0.25Q增大到额定流量区间内,叶轮部分辐射噪声出现单调下降的趋势,直至额定工况时达到最小值;随着流量继续增加,其辐射噪声又剧烈增大,该增大斜率约为其辐射噪声由小流量工况至额定工况时辐射噪声下降斜率的3倍。蜗壳辐射噪声也表现出了相似的变化规律,但蜗壳辐射噪声在其下降过程中相较叶轮辐射噪声的下降过程更加不均匀,呈下降-平稳-再下降的变化规律,其中当流量从0.5Q增至0.75Q时,蜗壳辐射噪声基本不变;值得注意的是在流量从0.75Q增大至1.25Q的区间内,蜗壳辐射噪声以额定流量为中心呈现出镜像对称趋势。最后,揭示了叶轮与蜗壳两者辐射噪声的区别与联系:区别为叶轮辐射噪声呈现出明显的偶极子特性,而蜗壳辐射噪声出现‘正对隔舌噪声大、背对隔舌噪声小’的指向性特征;另一方面,无论是变转速工况还是变流量工况下,叶轮与蜗壳两者辐射噪声都出现了相似的整体变化规律,虽在某转速区间内略有不同,表明了转速和流量的变化对叶轮以及蜗壳内部流场有着基本相似的影响。与此同时,探究引起叶轮及蜗壳产生辐射噪声的直接原因为壁面压力脉动,造成辐射噪声的根本原因为叶轮及蜗壳内部流场的非均匀性分布。本文结论可为离心泵运行中有效避开高辐射噪声工况提供指导,为低噪声离心泵的三维设计及现有离心泵的降噪技术研究奠定基础。
【学位授予单位】:山东大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TB53;TH311

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