混流泵反向發(fā)電壓力脈動(dòng)及流動(dòng)誘導(dǎo)噪聲分析

李 照

(云南恒誠(chéng)建設(shè)監(jiān)管咨詢有限公司，昆明 650051)

泵站是我國(guó)水利建設(shè)工程的重要組成部分，在農(nóng)業(yè)，工業(yè)等方面應(yīng)用廣泛。部分泵站具有反向發(fā)電功能，可進(jìn)行反向發(fā)電。此時(shí)混流泵偏離設(shè)計(jì)工況，反向運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的壓力脈動(dòng)及噪聲，甚至引發(fā)廠房振動(dòng)，對(duì)工作設(shè)備及人員安全構(gòu)成威脅。因此，對(duì)水泵在反向發(fā)電時(shí)的壓力脈動(dòng)及流動(dòng)誘導(dǎo)噪聲的研究具有重要意義。

對(duì)于水泵的正向工況下的壓力脈動(dòng)特性的研究很多，施衛(wèi)東[1]等運(yùn)用SMPLEC算法，對(duì)軸流泵全流場(chǎng)進(jìn)行三維非定常數(shù)值模擬，探究不同工況及不同導(dǎo)葉數(shù)情況下軸流泵的壓力脈動(dòng)特性；王福軍[2]等運(yùn)用大渦模擬方法對(duì)軸流泵不穩(wěn)定流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，探究泵的流動(dòng)特征；鄭源[3]等結(jié)合某貫流泵裝置模型試驗(yàn),研究了轉(zhuǎn)輪出水口的壓力脈動(dòng)情況；李晨光[4]等對(duì)兩級(jí)雙吸離心泵內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了定常和非定常模擬，分析了泵的能量特性和壓力脈動(dòng)特性；董亮[5]等對(duì)不同的葉片安放角對(duì)離心泵透平噪聲的影響進(jìn)行了研究；袁壽其[6]通過(guò)模型試驗(yàn)，對(duì)研究離心泵內(nèi)部壓力脈動(dòng)和流動(dòng)噪聲在不同工況下的變化規(guī)律及其關(guān)系進(jìn)行研究。

前人對(duì)水泵的壓力脈動(dòng)特性規(guī)律研究廣泛，但對(duì)于水泵在進(jìn)行反向發(fā)電時(shí)的壓力脈動(dòng)規(guī)律研究很少，對(duì)壓力脈動(dòng)對(duì)流動(dòng)誘導(dǎo)噪聲的影響研究更少。本文通過(guò)對(duì)水泵進(jìn)行全流道數(shù)值模擬，探究水泵在進(jìn)行反向發(fā)電情況下，壓力脈動(dòng)分布規(guī)律及對(duì)流動(dòng)誘導(dǎo)的影響，為泵站反向發(fā)電的穩(wěn)定運(yùn)行提供參考。

1 計(jì)算模型

本文某泵站的混流泵為計(jì)算模型，其基本參數(shù)如下：設(shè)計(jì)流量Q=9.5 m3/s，設(shè)計(jì)揚(yáng)程為H=6.7 m，轉(zhuǎn)速n=250 r/min,轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)Z=5，導(dǎo)葉數(shù)為6片。流道由泵工況下進(jìn)水流道、轉(zhuǎn)輪、導(dǎo)葉及出水流道四個(gè)部分組成，流道整體圖如圖1所示。

圖1 流道整體圖Fig.1 Flow chart

采用CFD對(duì)整體流道進(jìn)行網(wǎng)格劃分。因轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分。為提高計(jì)算精度，劃分網(wǎng)格時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)行了加密處理，轉(zhuǎn)輪網(wǎng)格如圖2所示[7]。近壁面處采用邊界層網(wǎng)格，控制其y+值在30～100內(nèi)。對(duì)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性進(jìn)行驗(yàn)證后，各個(gè)部分網(wǎng)格總量為550萬(wàn)左右，網(wǎng)格質(zhì)量控制在0.3以上。各部分網(wǎng)格單元數(shù)及網(wǎng)格質(zhì)量見(jiàn)表1。

圖2 轉(zhuǎn)輪網(wǎng)格圖Fig.2 Wheel grid graph

部件單元數(shù)網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)水流道796 3420.50轉(zhuǎn)輪2 583 0210.30導(dǎo)葉1 281 9760.35出水流道832 7250.60總計(jì)5 495 064

2 模型設(shè)置

2.1 壓力脈動(dòng)設(shè)置

為監(jiān)測(cè)混流泵反向發(fā)電時(shí)各截面壓力脈動(dòng)情況，選取全流道的三個(gè)截面，依次為反向發(fā)電工況下導(dǎo)葉進(jìn)口處，轉(zhuǎn)輪進(jìn)口處及轉(zhuǎn)輪出口處分別徑向設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)各個(gè)點(diǎn)在轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的壓力值。各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)面如圖3所示，在導(dǎo)葉進(jìn)口靠輪轂處設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)A1，從輪轂處至邊緣處均勻設(shè)置三點(diǎn)A1，A2，A3;在轉(zhuǎn)輪進(jìn)口輪轂至轉(zhuǎn)輪邊緣均勻設(shè)置三點(diǎn)B1，B2，B3; 在轉(zhuǎn)輪出口輪轂至轉(zhuǎn)輪邊緣均勻設(shè)置三點(diǎn)C1，C2，C3,如圖4所示[8]。

圖3 監(jiān)測(cè)面示意圖Fig.3 Monitoring surface schematic diagram

圖4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)示意圖Fig.4 Monitoring point schematic diagram

進(jìn)行定常計(jì)算時(shí)，設(shè)置動(dòng)靜交接面為冷結(jié)轉(zhuǎn)子類型即frozen rotor interface，轉(zhuǎn)輪出口邊界條件設(shè)置為壓力出口，設(shè)置時(shí)間步長(zhǎng)為0.001 s；進(jìn)行非定常計(jì)算時(shí)，設(shè)置動(dòng)靜交接面為瞬態(tài)凍結(jié)轉(zhuǎn)子類型即transient rotor，轉(zhuǎn)輪邊界條件保持不變。湍流模型選取為SSTk-ε，采用自動(dòng)壁面函數(shù)，固體面設(shè)置為無(wú)滑移，湍流黏度項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式，在時(shí)間域上采用二階全隱式進(jìn)行離散，為確保進(jìn)行壓力脈動(dòng)計(jì)算時(shí)非定常結(jié)果的穩(wěn)定性，設(shè)置總的采樣時(shí)間為10個(gè)周期，設(shè)置時(shí)間步長(zhǎng)為0.001 s，收斂殘差為10-4，選取計(jì)算最后3個(gè)周期各點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析壓力脈動(dòng)規(guī)律[9]。

2.2 流動(dòng)誘導(dǎo)噪聲設(shè)置

計(jì)算模型采用FW-H模型，聲源設(shè)置為導(dǎo)葉區(qū)，轉(zhuǎn)輪區(qū)的所有固體壁面。基于壓力脈動(dòng)非定常流場(chǎng)進(jìn)行聲場(chǎng)計(jì)算。采用間接法進(jìn)行流動(dòng)誘導(dǎo)噪聲的求解，因在非空化狀態(tài)下，泵內(nèi)部流動(dòng)誘導(dǎo)噪聲聲源主要為偶極子源,此處主要針對(duì)葉片旋轉(zhuǎn)偶極子源所引起的流動(dòng)誘導(dǎo)噪聲進(jìn)行分析。定義葉片通過(guò)頻率為BYP：

BYP=Zn/60

(1)

式中：Z為模型葉片數(shù)；n為轉(zhuǎn)速；計(jì)算模型葉片數(shù)為Z=5，n=150 r/min,則BYP=2.5 Hz,葉片通過(guò)頻率為12.5 Hz。

3 壓力脈動(dòng)結(jié)果分析

3.1 壓力脈動(dòng)時(shí)域分析

圖5為水泵在反向發(fā)電時(shí)的壓力脈動(dòng)時(shí)域圖，分別對(duì)導(dǎo)葉進(jìn)口處，轉(zhuǎn)輪進(jìn)口處及轉(zhuǎn)輪出口處三個(gè)截面的壓力脈動(dòng)時(shí)域圖進(jìn)行分析。圖5(a)為導(dǎo)葉進(jìn)口處壓力脈動(dòng)時(shí)域圖，由圖5可知,當(dāng)水泵在進(jìn)行反向發(fā)電時(shí)，導(dǎo)葉進(jìn)口截面處水流經(jīng)過(guò)進(jìn)水流道流向?qū)~時(shí)，受轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng)影響較大，一個(gè)周期內(nèi)存在五個(gè)較明顯的波峰與波谷，這與葉片數(shù)保持一致，壓力脈動(dòng)呈周期性波動(dòng)[10]。A1,A2,A3沿轉(zhuǎn)輪輪轂至轉(zhuǎn)輪邊緣分布，在三個(gè)周期內(nèi)，水流在進(jìn)入導(dǎo)葉前沿進(jìn)水流道進(jìn)入，經(jīng)過(guò)導(dǎo)葉順流水流較為均勻地進(jìn)入轉(zhuǎn)輪，可以看出三點(diǎn)的壓力脈動(dòng)幅值規(guī)律接近，均在700 Pa附近波動(dòng)。

圖5(b)為轉(zhuǎn)輪進(jìn)口處截面壓力脈動(dòng)時(shí)域圖，B1,B2,B3沿轉(zhuǎn)輪輪轂至轉(zhuǎn)輪邊緣分布。此時(shí)水流從導(dǎo)葉流出進(jìn)入轉(zhuǎn)輪，因受轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng)的影響加劇及導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪間的動(dòng)靜干涉作用強(qiáng)烈，三點(diǎn)處壓力脈動(dòng)呈現(xiàn)周期性波動(dòng)，各點(diǎn)的壓力脈動(dòng)幅值較導(dǎo)葉進(jìn)口處大幅增加。其中因轉(zhuǎn)輪邊緣空間狹小，水流流動(dòng)變化劇烈，靠輪緣處B3的壓力脈動(dòng)幅值最大，在2 100 Pa上下波動(dòng),約為水流進(jìn)入導(dǎo)葉前邊緣處的3倍；近輪轂處壓力脈動(dòng)幅值最小，在1 500 Pa上下波動(dòng)，約為水流進(jìn)入導(dǎo)葉近輪轂處的2倍。

圖5 壓力脈動(dòng)時(shí)域圖Fig.5 Time domain diagram of pressure pulsation

圖5(c)為轉(zhuǎn)輪進(jìn)口處截面壓力脈動(dòng)時(shí)域圖，C1,C2,C3沿轉(zhuǎn)輪輪轂至轉(zhuǎn)輪邊緣分布。水流在流過(guò)轉(zhuǎn)輪時(shí)，仍受轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)影響，邊緣處C3點(diǎn)壓力值上下波動(dòng)，C1,C2兩點(diǎn)的壓力值較進(jìn)入轉(zhuǎn)輪前穩(wěn)定，壓力脈動(dòng)幅值減小。因水流出轉(zhuǎn)輪后，轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)水流的作用減弱，三點(diǎn)的壓力脈動(dòng)幅值較進(jìn)入轉(zhuǎn)輪前的三點(diǎn)的壓力脈動(dòng)幅值減小，C1,C2點(diǎn)處壓力脈動(dòng)不明顯。其中C3點(diǎn)處的水流處于轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)邊緣處，此處水流在出轉(zhuǎn)輪時(shí)流速較高，水流不穩(wěn)定，此處仍存在較大的壓力脈動(dòng)，其幅值約為2 000 Pa,約為進(jìn)入轉(zhuǎn)輪前的1.31倍。

3.2 壓力脈動(dòng)頻域分析

定義無(wú)量綱Cp為壓力脈動(dòng)系數(shù)，其表達(dá)式如公式(2)所示:

(2)

式中：Cp為壓力脈動(dòng)系數(shù)；p為各點(diǎn)壓力脈動(dòng)值，Pa；pv為選定周期內(nèi)靜壓平均值，Pa。

圖6為壓力脈動(dòng)頻域圖，分別為導(dǎo)葉進(jìn)口處截面，轉(zhuǎn)輪進(jìn)口處截面及轉(zhuǎn)輪出口處截面的監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)頻域圖。導(dǎo)葉進(jìn)口處截面壓力脈動(dòng)頻域圖如圖6(a)所示，A1,A2,A3沿轉(zhuǎn)輪中心至轉(zhuǎn)輪邊緣處分布。水流從進(jìn)水流道進(jìn)入導(dǎo)葉時(shí)，各點(diǎn)的壓力脈動(dòng)頻率主要集中在低頻，此時(shí)水流已受轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng)影響，水流頻率主要集中在2.5 Hz,轉(zhuǎn)頻占主導(dǎo)地位，主頻的壓力脈動(dòng)系數(shù)約為0.009 8；此外在葉頻12.5 Hz處也存在一定的壓力脈動(dòng)系數(shù)，約為0.002 4，約為主頻的0.245倍。

轉(zhuǎn)輪進(jìn)口處截面壓力脈動(dòng)頻域圖如圖6(b)所示，B1,B2,B3沿轉(zhuǎn)輪中心至轉(zhuǎn)輪邊緣處分布。此時(shí)水流經(jīng)過(guò)導(dǎo)葉，受轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng)的影響加劇，各點(diǎn)較進(jìn)入導(dǎo)葉前的壓力脈動(dòng)頻率規(guī)律更加復(fù)雜，主要集中在低頻，葉片通過(guò)頻率為12.5 Hz占主導(dǎo)頻率，次頻為轉(zhuǎn)動(dòng)頻率2.5 Hz，在高頻處也存在廣泛的壓力脈動(dòng)。水流進(jìn)入轉(zhuǎn)輪前流態(tài)紊亂加劇，各點(diǎn)的壓力脈動(dòng)系數(shù)較水流進(jìn)入導(dǎo)葉處增加，最大壓力脈動(dòng)系數(shù)約為0.022 4，約為進(jìn)入導(dǎo)葉前的2.33倍。

轉(zhuǎn)輪進(jìn)口處截面壓力脈動(dòng)頻域圖如圖6(c)所示，C1,C2,C3沿轉(zhuǎn)輪中心至轉(zhuǎn)輪邊緣處分布。水流經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)輪后，受轉(zhuǎn)輪干擾增強(qiáng)水流出現(xiàn)紊亂，三點(diǎn)的壓力脈動(dòng)幅值頻率變化并不均勻，各點(diǎn)的壓力脈動(dòng)系數(shù)較進(jìn)轉(zhuǎn)輪前大大增加，壓力脈動(dòng)頻率主要集中在低頻。C1處位于轉(zhuǎn)輪中心，其壓力脈動(dòng)頻率主要集中在0～12.5 Hz且幅值很大，約為進(jìn)入轉(zhuǎn)輪前的7倍。水流在出轉(zhuǎn)輪時(shí)流態(tài)分布不均且紊亂嚴(yán)重，點(diǎn)C2,C3處壓力脈動(dòng)系數(shù)約為0.02，較進(jìn)入轉(zhuǎn)輪前增加1.36倍。

圖6 壓力脈動(dòng)頻域圖Fig.6 Frequency domain diagram of pressure pulsation

4 流動(dòng)誘導(dǎo)噪聲結(jié)果分析

為監(jiān)測(cè)外場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)聲壓變化，在導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪間距離分別為20,30,40 mm處監(jiān)測(cè)聲壓值大小，將聲壓值轉(zhuǎn)換成聲壓級(jí)進(jìn)行傅里葉變換[11]。如圖7所示，可以看出水泵在進(jìn)行反向發(fā)電時(shí)，導(dǎo)葉區(qū)與轉(zhuǎn)輪區(qū)的產(chǎn)生的噪聲主要為離散噪聲[12]。在20，30，40 mm處的壓力噪聲值均超過(guò)100 dB，其中20 mm處離轉(zhuǎn)輪區(qū)較近，受轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng)的噪聲影響嚴(yán)重，聲壓等級(jí)最高達(dá)到120 dB，隨著離轉(zhuǎn)輪區(qū)距離增大，聲壓級(jí)有所降低。

圖7 聲壓級(jí)頻譜圖Fig.7 Sound pressure level spectrum

為研究聲向指向性分布，對(duì)XY平面上的外場(chǎng)噪聲進(jìn)行分析。在Y=0的平面上，作直徑為1 m的圓，沿圓形一周每間隔10°布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，共36個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)一階頻率及三級(jí)頻率進(jìn)行分析[13]。如圖8所示，顯示一階頻率及三級(jí)頻率的噪聲指向性及輻射水平。聲壓顯示的偶極子特性明顯，一階頻率具有良好的對(duì)稱性，葉片通過(guò)頻率為2.5 Hz，極小值在60°及240°附近，約為60 dB，極大值在150°及330°附近，最大值約為120 dB，此時(shí)水泵在進(jìn)行發(fā)向發(fā)電時(shí)，水流從導(dǎo)葉進(jìn)入轉(zhuǎn)輪，因進(jìn)水流道的限制使得水流并不完全均勻進(jìn)入轉(zhuǎn)輪，且該位置處于動(dòng)靜干涉面，水流前后變化大，產(chǎn)生較大的流動(dòng)誘導(dǎo)噪聲。三階葉頻近似圓形，聲場(chǎng)分布均勻，且聲壓級(jí)約130 dB附近，高于葉頻聲壓級(jí)約8%。此時(shí)混流泵在進(jìn)行反向發(fā)電時(shí)，存在于三階葉頻相近的固體振動(dòng)，帶動(dòng)固體與流體發(fā)生共振，使得其聲壓值較大[14]。為減小共振聲壓級(jí)，應(yīng)避免水泵固體的固有頻率與葉片通過(guò)頻率各倍頻接近。

圖8 外場(chǎng)噪聲指向性分布Fig.8 Directivity distribution of outfield noise

5 結(jié) 語(yǔ)

(1)混流泵在進(jìn)行反向發(fā)電時(shí)，水流受轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng)作用明顯，在導(dǎo)葉進(jìn)口及轉(zhuǎn)輪出口處壓力脈動(dòng)呈現(xiàn)周期性，導(dǎo)葉進(jìn)口處壓力脈動(dòng)主頻以轉(zhuǎn)頻為主，轉(zhuǎn)輪進(jìn)口處主頻以葉頻為主。對(duì)導(dǎo)葉進(jìn)口，轉(zhuǎn)輪進(jìn)口及轉(zhuǎn)輪出口的壓力脈動(dòng)進(jìn)行分析，此時(shí)水泵處于非設(shè)計(jì)工況，水流壓力脈動(dòng)幅值在轉(zhuǎn)輪出口處最大，約為轉(zhuǎn)輪進(jìn)口的1.3倍，約為導(dǎo)葉進(jìn)口的3倍，壓力脈動(dòng)幅值從輪轂到輪緣逐漸減小。

(2)采用邊界元法對(duì)混流泵進(jìn)行法向發(fā)電時(shí)的聲場(chǎng)進(jìn)行研究，轉(zhuǎn)輪區(qū)與導(dǎo)葉區(qū)產(chǎn)生的噪聲以離散噪聲為主，壓力脈動(dòng)主頻與流動(dòng)誘導(dǎo)噪聲主頻不一致，主要是由于混流泵的固體結(jié)構(gòu)與水流發(fā)生共振，使得噪聲三階葉頻的聲壓級(jí)增大。在實(shí)際運(yùn)行中，要避免水泵結(jié)構(gòu)固有頻率與水流的葉頻及其倍頻產(chǎn)生共振，以降低水泵反向運(yùn)行的流動(dòng)誘導(dǎo)噪聲。

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