一种基于LES/LBM的离心泵内流动诱导噪声数值计算方法与流程

本发明属于流体机械工程领域，特指一种基于les/lbm的离心泵内流动诱导噪声数值计算方法。

背景技术：

当今社会，噪声污染已经成为世界三大污染之一，它严重影响了人类的身体状况和精神状态。因此，如何有效减噪已经成为提升生活质量的急切需求。作为重要的输送流体和转换能量装置，离心泵广泛应用于国民经济的各个领域，其在运行过程中产生的振动和噪声过大问题受到密切关注。在环境标准日益严格的背景下，如何精确地计算离心泵内流动诱导噪声，降低其对环境的声污染，已经成为当前研究的重点与难点之一。

目前，噪声数值计算方法已经广泛应用于各个领域，如中国专利文献记载的汽车交流发电机噪声模拟计算方法【申请号：201410662710.0；公布号：cn104361174a】采用有限体积法计算固定转速下发电机的瞬态过程，利用数值模拟计算方法分析主要噪声源的辐射噪声特性，从而对交流发电机进行降噪优化设计，但是其方法存在一定的局限性，并不适用于离心泵内场噪声计算；一种离心泵内流诱导噪声数值预测方法【申请号：201310503029.7；公布号：cn103631989a】采用有限元法和大涡模拟相结合的方法对离心泵内流诱导噪声进行预测，但此方法计算获得的流场计算结果与试验结果偏差较大，基于此得出的声场预测结果可信度不足，并不能准确反映离心泵内流噪声特性；文献《离心泵内流诱导噪声的数值预测》提出一种离心泵内流诱导噪声的计算方法，并考虑了声固耦合作用，但此方法忽略了旋转偶极子声源对声场的影响，计算的声场只在叶频及倍频处有效。尽管离心泵内场噪声预测方面已有相关研究，但是上述文献均没有细致描述离心泵流场特征，基于流场计算结果得到的声场计算结果与实际试验值误差较大。可见，如何准确地模拟离心泵内部瞬态流场并进一步对离心泵内流动诱导噪声进行预测具有重要意义。

为此，本发明主要针对离心泵内流动诱导噪声特性进行研究，旨在为低振低噪离心泵设计提供一定的参考。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明旨在提供一种基于les/lbm的离心泵内流动诱导噪声数值计算方法。采用外特性和振动试验、les-lbm模型和dbem方法来求解离心泵内部声场分布，从而分析离心泵内流动诱导噪声特性。

为了实现上述目的，采用如下技术方案：

根据扬程和效率的试验值，建立les-lbm模型并进行流场计算，找出合适的lbm中弛豫时间，以满足不同流量下离心泵数值计算值与试验值之间的误差ε1≤0.02。选择合适的插值搜索算法中权指数，以满足离心泵叶频处振动速度计算值与试验值之间的误差ε2≤0.05，验证离心泵内流动诱导噪声数值计算方法的可行性，并采用dbem方法求解离心泵内部声场分布。

其具体步骤如下：

(1)试验测量离心泵的能量性能和振动特性，得到不同流量下离心泵的扬程、功率、效率和叶频处振动速度的试验值。

当离心泵在不同流量下平稳运行后，采用电测法或扭矩法测量，同时采集离心泵流量、转速、进口压力、出口压力、功率、和振动数据，并得到不同流量下离心泵的扬程、功率、效率和叶频处振动速度的试验值。

(2)采用smagorinsky涡粘模型，将大涡模拟les亚格子模型引入多弛豫时间lbm中，建立les/lbm模型，

同时基于les/lbm模型对离心泵内部流动进行数值计算，并计算不同流量下离心泵的能量性能。

基于试验得到的能量性能，对计算值进行误差分析；若扬程和效率的计算值与试验值之间的相对误差大于计算精度ε1，则改变多弛豫时间lbm中的弛豫时间，直至计算值与试验值之间的差值小于或等于ε1。

所述的计算精度ε1＝0.02。

(3)建立离心泵结构体模型，提取流体外表面压力分布时域信息，采用插值搜索算法，将压力分布数据映射到结构体上，作为离心泵振动计算的激励源条件；

根据离心泵实际试验情况，定义相应的泵体约束，根据结构动力学分析方程，基于有限元法对流体激励动载荷下离心泵振动响应行计算；

基于试验得到的振动结果，比较计算结果与步骤(1)得出的试验结果的振动频谱趋势、振动速度水平及主要特征频率，对计算值进行误差分析。若离心泵叶频处振动速度的计算值与试验值之间的相对误差大于计算精度ε2，则改变插值搜索算法中的权指数，直至计算值与试验值之间的差值小于或等于ε2。

所述的计算精度ε2＝0.05。

(4)提取离心泵内部流场计算输出的流体壁面压力脉动数据，经fft变换后作为激励声源；

基于直接边界元法dbem建立离心泵声学计算模型，其中边界元网格尺寸l必须满足c为流体中声速，f为计算频率；

采用数据转移方式实现离心泵内部流场和声场之间的数据交换；

考虑离心泵泵体的声散射效果，并以离心泵内流体表面作为声学计算边界，采用dbem方法对封闭声场求解，分析离心泵内流动诱导噪声特性。

本发明的有益效果是：

(1)本发明将les亚格子模型引入多弛豫时间lbm中，建立了les/lbm模型，可以准确模拟离心泵内部瞬态流场，捕捉流场细节特征，提高了离心泵内流动诱导噪声的计算精度。

(2)本发明提供的一种基于les/lbm的离心泵内流动诱导噪声数值计算方法，合理选择边界元网格尺寸，节省了计算资源及时间，提高了离心泵内流动诱导噪声数值计算的效率。

(3)本发明提供的一种基于les/lbm的离心泵内流动诱导噪声数值计算方法，可以精确数值计算其他类型的流体机械内流动诱导噪声，应用范围较为广泛。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明实施例中多级离心泵结构示意图；

图3为本发明实施例中多级离心泵振动计算结果与试验结果对比；

图4为本发明实施例中多级离心泵内流动诱导噪声声压频率分布；

图2中：1-泵轴、2-吸入段、3-首级叶轮、4-次级叶轮、5-导叶、6-吐出段、7-平衡盘、8-轴承座、9-中段、10-底脚。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

实施例：

一台比转速为65.4的节段式五级离心泵，其设计流量qd为100m³/h，扬程hd＝165m，转速n＝1480r/min。该泵的结构示意图如图2所示，其主要几何参数见表1。

表1泵主要几何参数

(1)试验测量离心泵的能量性能和振动特性，得到不同流量下离心泵的扬程、功率、效率和叶频处振动速度；

试验前，对五级离心泵进口压力变送器、出口压力变送器和振动传感器校零；当离心泵在不同流量下平稳运行后，采用电测法或扭矩法测量，同时采集离心泵流量、转速、进口压力、出口压力、功率、和振动数据，并得到不同流量下离心泵的扬程h、功率p、效率η和叶频处振动速度v。

0.8qd、qd、1.2qd三个流量下五级离心泵试验结果为：h1＝173m，η1＝69％，v1＝0.283mm·s^-2；h2＝165m，η2＝72.8％，v2＝0.265mm·s^-2；h3＝152.3m，η3＝72.5％，v3＝0.327mm·s^-2。

(2)采用smagorinsky涡粘模型将les亚格子模型引入多弛豫时间lbm中，建立les/lbm模型。运用icem对计算域进行网格划分，采用结构六面体网格，并对复杂流动区域及交界面处进行局部加密，计算获得的y⁺≤1，满足les对y⁺的要求。基于les/lbm模型对离心泵内部流动进行数值计算，并计算不同流量下离心泵的能量性能。基于试验得到的能量性能，对计算值进行误差分析。

0.8qd、qd、1.2qd三个流量下五级离心泵流场计算结果为：h1′＝174.1m，η1′＝70.2％；h2′＝167m，η2′＝73.9％；h3′＝155.8m，η3′＝73.9％。三个流量下五级离心泵的扬程和效率误差均小于0.02。

(3)建立五级离心泵结构体模型，提取流体外表面压力分布时域信息，采用插值搜索算法，将压力分布数据映射到结构体上，作为离心泵振动计算的激励源条件。根据离心泵实际试验情况，对四个泵脚施加全约束，对进出口管道施加管轴方向的速度约束，根据结构动力学分析方程，基于有限元法对流体激励动载荷下离心泵振动响应进行计算。

五级离心泵振动试验结果与计算结果趋势基本一致，均在轴频、叶频及倍频处出现峰值且数值水平相近。0.8qd、qd、1.2qd三个流量下五级离心泵叶频处振动速度水平的计算值分别为：v1＝0.291mm·s^-2，v2＝0.254mm·s^-2，v3＝0.339mm·s^-2。三个流量下五级离心泵叶频处振动速度误差均小于0.05。图3给出了qd流量下五级离心泵出口法兰附近测点振动的试验结果与计算结果。结果表明：试验结果与计算结果在轴频、叶频及其高阶谐频处均存在显著峰值，叶频处振动速度的计算值与试验值相符，整体上数值计算结果与试验结果趋势基本一致，且振动水平位于相同数量级。

(4)提取五级离心泵内流场计算输出的时域压力分布

dipole_005160.cgns-dipole_7321.cgns文件，经fft变换后作为声学激励导入lmsvirtual.labacoustic模块，基于dbem建立声学计算模型，声学边界元网格在lmsvirtual.labmesh模块中采用结构网格划分。边界元网格尺寸l必须满足计算得l≤25mm，为了兼顾计算精度和计算时间，边界元网格尺寸取为10mm，采用数据转移方式实现流场和声场之间的数据交换。考虑五级离心泵泵体的声散射效果，并以离心泵内流体表面作为声学计算边界，采用dbem方法对封闭声场求解，同时设置所需场点位置，以监测并进一步分析五级离心泵内流动诱导噪声特性。图4给出了五级离心泵内流动诱导噪声声压频率分布，其中进口和出口场点位置分别位于进口管路和出口管路的4倍管径处。结果表明：进、出口场点声压级分布趋势一致，在轴频、叶频及其高阶谐频处均出现明显峰值。进出口声压水平在90-165db范围,出口场点声压级水平较进口偏大。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。