ACTRAN离心泵辐射噪声分析
一：离心泵辐射噪声分析背景 1. 离心泵噪声研究的必要性 离心泵作为通用机械在工农业生产及日常生活中具有广泛的应用，提高其设计效率、降低其运行噪声和振动具有很大现实意义。水泵噪声是水泵重要的质量指标，它即是考核水泵对环境污染的量化指标，也可以反映水泵的设计和制造质量。 噪声影响人们的工作学习和身体健康。实际上，在中国城市区域环境噪声标准中，已经规定水泵房周围的居民区内，白天只允许50～60dB(A)，夜间只允许有40～50 dB(A)，而在特殊工作环境和军用领域，噪声标准还要高。所以，为了严格执行国家对水泵噪声要求的规定，需要对水泵的噪声进行研究。 2. 离心泵噪声原理 离心泵由于蜗壳形状的三维非轴对称性，叶轮和蜗壳的相互作用使内部流场产生复杂的非稳定性，其中叶片和蜗舌的相互作用是造成压力波动的重要因素。压力波动和泵体部件的相互作用是引起泵体振动、产生水力噪声的重要原因，并对进出口区域的流场产生影响。尤其是近年来高速离心泵的使用使得离心泵的噪声成为了非常显著的问题。 对离心泵噪声进行研究不仅可以通过噪声对离心泵的运行状态进行监控，还可以减小噪声对工业环境与日常生活的影响，减小由噪声引起的机械结构疲劳，且有利于离心泵的设计改进。 3. 离心泵噪声研究瓶颈 离心泵噪声一方面会沿着管道传播，另一方面会透过泵体结构的振动辐射出去。由于泵体结构辐射噪声牵涉到不同的流体区域（内部为水、外部为空气），且包含蜗壳结构，长久以来研究者没有一个有效的方法预测离心泵的辐射噪声。 本文以某离心式水泵为实际对象，考察由于流体压力脉动引发泵体结构振动所产生的噪声，计算从泵体表面通过空气向外传播的空间噪声特性，从而实现水泵辐射声场的预估。 二：ACTRAN仿真模拟 1. 输入参数
图1离心泵声学网格模型 离心泵内部流体域与蜗壳材料参数如下表1所示。 表1材料参数
2. 计算流程 离心泵辐射噪声分析，ACTRAN计算步骤如下所示： 1）基于通用CFD软件（例如Fluent、Star-CD、Star-CCM+、CFX等）建立CFD分析模型，利用URANS、LES或DES方法进行非定常流场计算； 2）保存流场结果，例如压强、密度、流速等； 3）建立ACTRAN声学分析模型，包含蜗壳内部水域、蜗壳结构、外部空气域。将流场信息转换为声源项，并用积分法插值入水域网格； 4）执行傅里叶转换，将时域信号转换为频域； 5）ACTRAN计算流致噪声的传播，导出预设场点的声场云图和声压频响函数； 6）ACTRAN/VI查看结果。
图2流体噪声计算流程 3. 计算结果 ACTRAN计算完成后，输出结果如下表所示： 表3输出结果
1) 云图结果 ACTRAN计算完成可以提取计算域内云图分布，如下图所示。
图3848Hz声场云图
图4 3130Hz声场云图 2) 监测点声压频谱
图5 测点位置
图6 声压级频谱曲线 4. 噪声贡献度分析 利用GREEN分析，可以得到壳体不同部位对监测点噪声的贡献度。
图 7 GREEN分析模型
图 8 4800HZ蜗壳噪声贡献度云图
三：总结 基于ACTRAN的声学仿真可以预测由于泵体内部流体压力脉动引发泵体结构振动所产生的噪声，研究泵体表面通过空气向外传播的空间噪声特性，从而实现水泵辐射声场的预估。利用ACTRAN的Green分析方法，可以评价结构表面噪声贡献量，仿真结果可用于离心泵的结构设计改进，降低由噪声引起的机械结构疲劳以及噪声对工业环境与日常生活的影响。 ACTRAN软件作为世界领先的噪声分析软件，针对各种不同的问题定制了一系列专业化的模拟工具，确保所提供的解决方案能满足不同的声学设计需要。在水泵噪声分析中，ACTRAN的优势在于： （1）ACTRAN Aero-Acoustics模块支持模拟旋转机械流致噪声； （2）ACTRAN Aero-Acoustics模块可与ACTRAN Vibro-Acoustics联合，建立包含内部水域、金属蜗壳与外部空气区域的有限元模型，进行一体化分析； （3）结合ACTRAN Green分析方法，可以得到蜗壳表面单元对外部监测点的辐射噪声贡献量，为工程师改进结构、控制辐射噪声提供指导意见。 |
