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《兰州理工大学》 2019年
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射流离心泵非定常流动与声学响应特性研究

郭荣  
【摘要】:噪声污染作为与大气污染、水污染、土壤污染、固体废物污染等并列的人类面临的重大环境问题之一,将其控制、降低甚至彻底消除越来越成为生态文明建设的重要课题。射流离心泵过流部件多、内部流动形态十分复杂,运行过程中常伴随着强烈的噪声,随着环境保护标准的日益严格和人们生活品质的不断提高,用户对射流离心泵的声学性能也有了更高要求。本文以JET750G1型的射流离心泵为对象,采用理论分析、试验测试和数值模拟相结合的方法对非自吸工况下泵内部非定常流动及其声学响应特性进行研究,旨在为射流离心泵的“高效和安静”设计提供理论参考和技术支持,也为其他类型泵的流体动力噪声的控制和优化提供借鉴。主要工作和创新性成果有:1、开展射流离心泵水力性能与内场流体动力噪声特性的试验研究。结果表明:声压在时域的脉动周期与叶轮旋转周期一致;声压峰值主要表现在轴频及叶频处,其中轴频处的噪声水平最为明显;流体动力噪声主要表现在400Hz以内的中低频段,除了轴频、叶频等特征频率处表现出明显的离散噪声外,在其他频段也呈现出不可忽视的宽带噪声。2、采用数值方法研究不同工况下射流离心泵内部非定常流动特性。结果表明:射流离心泵水力性能及其内部流场的脉动特性主要与两大因素有关,一是泵体内流动在各个方向不对称且流动过程复杂,破坏了导叶、叶轮、喷射器内流动在时间的稳定性和空间的平衡性,致使泵的水力效率较低;二是叶轮和导叶之间的动静干涉作用是影响射流离心泵内部流场非定常脉动规律最关键的因素。3、基于声类比理论及方法,研究和分析不同工况下过流部件诱发的不同机理的流体动力噪声在内、外场空间的辐射特性。结果表明:叶轮和导叶之间的动静干涉、泵内流体和泵体结构的共振均是射流离心泵内、外场流体动力噪声的重要影响因素,过流部件自身的结构和材料属性对流体动力噪声有重要影响。叶轮诱导噪声是射流离心泵内场流体动力噪声的最大贡献因素,导叶诱导噪声是外场流体动力噪声的最大贡献因素。4、采用响应面分析法结合CFD/CFA技术分析叶片型线对射流离心泵水力性能及叶轮旋转噪声特性的影响。结果表明:叶片包角、叶片出口安放角、叶片进口直径是影响射流离心泵水力和声学性能最显著的3个因素;水力性能最优和声学性能最优存在相互制约性,较小的包角、较大的出口安放角、较小的叶片进口直径有助于改善射流离心泵的水力性能,声学性能最优时叶型各控制参数不宜偏大或偏小;声学性能和水力性能的映射在叶片型线的样本空间具有逼近Pareto解的能力,Pareto前沿解沿一条呈下的凸形曲线分布。5、采用数值方法研究动静干涉对叶轮和导叶内部流场及其诱导噪声的特性。结果表明:良好的导叶叶型设计能够改善叶轮内部的流场结构,减少漩涡及流道堵塞等现象,提升叶轮的水力和声学性能,同时良好的叶轮叶型设计能够提升导叶的水力和声学性能;动静干涉作用对叶轮和导叶内部流场脉动强度的影响要明显比对其时均值的影响更加敏感;导叶叶片的存在破坏了叶轮内部流场的稳定性和平衡性,但能够在一定程度上抑制叶轮诱导噪声水平;叶轮诱导噪声受导叶进口安放角和动静叶栅间隙的影响最为明显,导叶诱导噪声水平受叶轮出口安放角和动静叶栅间隙的影响最为明显;动静叶栅内部流场的演化过程主要与叶轮及导叶叶片数有关,叶轮和导叶的其他结构参数只影响漩涡的强度,而不改变其基本演化规律。6、采用正交试验方法结合CFD/CFA技术对叶轮与正导叶的动静叶栅匹配进行多目标优化,采用矩阵分析法确定兼顾水力和声学性能指标的综合性能优化方案。结果表明:优化后,额定工况下泵的扬程不变,水力效率提高0.5%,叶轮诱导噪声降低7.1%,导叶诱导噪声升高2.1%;动、静叶栅的不同匹配方案对射流离心泵扬程的影响比对其效率的影响敏感,对导叶诱导噪声的影响比对叶轮诱导噪声的影响敏感;低噪声射流离心泵设计的关键是合理确定动静叶栅间隙及动、静叶栅的叶片数,动静叶栅的匹配设计是实现射流离心泵高效低噪设计的有效方法。7、采用本征正交分解(POD)法结合CFD/CFA技术对叶轮域非定常流场脉动强度及其诱导噪声进行重构与预测研究。结果表明:基于样本的叶型参数、流场脉动强度场及流动诱导噪声的映射关系,重构目标叶型压力脉动强度场的相对误差在4.0%以内,速度脉动强度场的相对误差在3.0%以内,湍动能脉动强度场的相对误差在4.5%以内,流动诱导噪声相对误差在10%以内。将Gappy POD方法作为代理模型对离心泵叶轮优化过程中流场脉动强度、噪声辐射水平预估,不仅可以明显减少计算量和计算时间,极大提高优化速度和效率,亦可在优化过程中为模型的噪声和振动等特性判断提供参考。
【学位授予单位】:兰州理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:TH311

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