軸流混輸泵串列葉柵內(nèi)流場(chǎng)特性及其誘導(dǎo)噪聲研究

柴小煜,李仁年,2,權(quán) 輝,2

(1.蘭州理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730050;2.甘肅省流體機(jī)械及系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅 蘭州 730050)

軸流式混輸泵在多相輸送方面表現(xiàn)出了巨大的優(yōu)越性,已成功地應(yīng)用于油田開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域。目前對(duì)于軸流式混輸泵的研究多集中在其增壓?jiǎn)卧墓ぷ骼碚摗⒃O(shè)計(jì)方法以及其混輸特性的分析,對(duì)其壓縮級(jí)組合形成的串列葉柵的噪聲特性分析鮮少涉及。油田管路中的流動(dòng)誘導(dǎo)噪聲水平對(duì)泵站安全有重大影響。因此對(duì)軸流式混輸泵流致噪聲的研究是十分有必要的。

流體機(jī)械系統(tǒng)的噪聲按照產(chǎn)生的激勵(lì)可以分為機(jī)械結(jié)構(gòu)振動(dòng)的輻射噪聲與流體動(dòng)力學(xué)噪聲[1-2]。Chu等[3-4]、Dong等[5]、Langthjem等[2,6]、Parrondo等[7]從機(jī)械結(jié)構(gòu)方面討論了蝸殼幾何形狀對(duì)流激噪聲的影響。吳仁榮等[8-9]、耿少娟等[10]、黃俊雄等[11]、談明高等[12]、劉厚林等[13-15]從機(jī)械結(jié)構(gòu)方面研究了葉輪幾何參數(shù)和葉片形式與流激噪聲之間的關(guān)系。Wang等[16]、Argarin等[17]、Mathey[18]、Roger等[19]、宋保維等[20]、楊燕麗等[21]、伍文華等[22]從流體動(dòng)力方面對(duì)流激噪聲的影響進(jìn)行了相關(guān)研究。Wang等[23]、Kato等[24]、Jiang等[25]、司喬瑞等[26]探討了流動(dòng)及結(jié)構(gòu)耦合與噪聲輻射之間的關(guān)聯(lián)。上述學(xué)者研究結(jié)果表明,在低馬赫數(shù)下,動(dòng)靜葉間的相互作用是當(dāng)?shù)貕毫γ}動(dòng)與遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲的主要成因。為分析混輸泵內(nèi)壓力脈動(dòng)特性對(duì)流致噪聲的影響,以某軸流式油氣混輸泵為研究對(duì)象,基于剪切應(yīng)力輸運(yùn)(SST,shear sress transport)k-ω湍流模型對(duì)其進(jìn)行非定常數(shù)值計(jì)算,研究其內(nèi)部壓力脈動(dòng)特性,并在此基礎(chǔ)上通過(guò)有限聲學(xué)邊界元法進(jìn)一步分析動(dòng)靜葉柵內(nèi)壓力脈動(dòng)特性與流動(dòng)誘導(dǎo)噪聲之間的關(guān)系,以期為混輸泵機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行及流動(dòng)誘導(dǎo)噪聲的控制提供參考。

1 數(shù)值計(jì)算模型及方法

以一臺(tái)兩級(jí)的軸流式油氣混輸泵為研究對(duì)象,其主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下:設(shè)計(jì)流量Qd=100 m3/h,設(shè)計(jì)揚(yáng)程H=30 m,轉(zhuǎn)速n=4 500 r/min,葉輪和導(dǎo)葉輪轂采用錐形設(shè)計(jì),輪緣直徑D2=133 mm,葉輪葉片數(shù)Z1=4,導(dǎo)葉葉片數(shù)Z2=11。

1.1 流場(chǎng)計(jì)算

混輸泵同時(shí)具有葉片泵和壓縮級(jí)的雙重特性,每一個(gè)動(dòng)葉和一個(gè)靜葉組成一級(jí)壓縮單元。高速旋轉(zhuǎn)的葉輪對(duì)流體做功使其獲得動(dòng)能和壓力能,經(jīng)過(guò)導(dǎo)葉擴(kuò)壓作用將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力能,同時(shí)經(jīng)過(guò)導(dǎo)葉的整流作用使得流體以相對(duì)較好的流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)入下一級(jí)壓縮單元。圖1為混輸泵的計(jì)算域。計(jì)算域包括吸入室、第一級(jí)動(dòng)葉、靜葉、第二級(jí)動(dòng)葉及蝸殼5個(gè)部分的水體。

圖1 混輸泵的計(jì)算域Fig.1 Computational domain for multiphase pump

采用ICEM CFD15.0對(duì)計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分,考慮到油氣混輸泵模型結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,采用自適應(yīng)性較強(qiáng)的非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格,對(duì)葉輪葉片和導(dǎo)葉葉片壁面進(jìn)行加密處理。對(duì)備選的5套網(wǎng)格進(jìn)行了網(wǎng)格無(wú)關(guān)性計(jì)算,綜合計(jì)算資源和計(jì)算的準(zhǔn)確性,選取在揚(yáng)程波動(dòng)<1%范圍內(nèi)的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為661 292,網(wǎng)格數(shù)為3 721 566的網(wǎng)格模型進(jìn)行計(jì)算。最終的網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。

圖2 泵體網(wǎng)格Fig.2 Pump mesh

采用ANSYS CFX15.0進(jìn)行流場(chǎng)的定常和非定常計(jì)算。計(jì)算時(shí)混輸泵入口氣體體積分?jǐn)?shù)為0.3。為了實(shí)現(xiàn)交界面上數(shù)據(jù)的傳遞,定常計(jì)算時(shí),動(dòng)靜交界面設(shè)置為凍結(jié)轉(zhuǎn)子類(lèi)型(frozen rotor interface);非定常計(jì)算時(shí),將動(dòng)靜交界面設(shè)置為瞬態(tài)凍結(jié)轉(zhuǎn)子類(lèi)型(transient rotor/station interface)。結(jié)合油氣混輸泵結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),采用SSTk-ω湍流模型能較準(zhǔn)確地模擬其內(nèi)部的復(fù)雜流動(dòng)現(xiàn)象。設(shè)置非定常計(jì)算的時(shí)間步長(zhǎng)為1.111 1×10-4s,即葉輪每旋轉(zhuǎn)3°進(jìn)行一次計(jì)算。采用多重坐標(biāo)系,葉輪流場(chǎng)在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中計(jì)算,吸水室、導(dǎo)葉和蝸殼在靜止坐標(biāo)系中計(jì)算。進(jìn)口條件為速度進(jìn)口,出口條件為質(zhì)量流量出口,壁面采用無(wú)滑移邊界條件,近壁區(qū)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。計(jì)算精度設(shè)置為10-5。

計(jì)算中設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)收集流場(chǎng)內(nèi)壓力脈動(dòng)信息,監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在混輸泵動(dòng)靜葉柵的進(jìn)出口位置,如圖3所示。

圖3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布Fig.3 Distribution of monitoring points

1.2 聲場(chǎng)計(jì)算

聲場(chǎng)和流場(chǎng)本質(zhì)上是統(tǒng)一的,其控制方程均是Navier-Stoke方程[27]。直接對(duì)N-S方程進(jìn)行求解要求高精度湍流模式、高精度時(shí)間空間格式和龐大計(jì)算量等,對(duì)計(jì)算求解帶來(lái)一定的困難。研究采用混合計(jì)算的方法,將計(jì)算流體力學(xué)和計(jì)算聲學(xué)求解相結(jié)合,基于Lighthill聲類(lèi)比理論,將復(fù)雜的流動(dòng)過(guò)程用等效的聲源代替,再通過(guò)求解聲學(xué)波動(dòng)方程完成聲傳播的計(jì)算。其基本控制方程為

(1)

其中:p為流體壓強(qiáng);i,j為任意指數(shù);σij為黏性應(yīng)力;c0為聲速;xi、xj分別為空間函數(shù)在i、j方向上的微分;vi、vj分別為速度矢量在i、j方向上的微分;fi為徹體力矢量空間坐標(biāo)函數(shù)在i方向上的微分。

方程的右端源項(xiàng)包含了3個(gè)分量,分別為四極子、偶極子及單極子3種聲源,其中四極子聲源與非線性流動(dòng)關(guān)系密切,偶極子聲源由表面脈動(dòng)激勵(lì)引起,單極子源由流體介質(zhì)體積變化產(chǎn)生,泵內(nèi)未發(fā)生空化狀態(tài)下內(nèi)場(chǎng)噪聲源主要為偶極子聲源[28]。

采用LMS Virtual Lab的直接邊界元法對(duì)混輸泵內(nèi)部噪聲進(jìn)行計(jì)算。直接邊界元法具有輸入數(shù)據(jù)少、計(jì)算時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn),且對(duì)于低頻噪聲的求解優(yōu)勢(shì)明顯。泵內(nèi)表面的非定常壓力脈動(dòng)激勵(lì)經(jīng)過(guò)快速傅里葉變換之后作為聲學(xué)邊界條件,泵的進(jìn)口和出口定義全吸聲屬性。計(jì)算中忽略泵殼體的振動(dòng),即假設(shè)泵殼體為全反射壁面。

2 內(nèi)部流場(chǎng)計(jì)算

圖4為混輸泵3種工況下的壓力分布云圖。從圖4中可以看出,從葉輪進(jìn)口到出口,壓力值總體趨勢(shì)不斷增大,這是由于葉輪的做功,使得動(dòng)能不斷轉(zhuǎn)換為壓力能。葉輪和導(dǎo)葉交界面附近,壓力梯度變化明顯,這是因?yàn)榱黧w從葉輪進(jìn)入導(dǎo)葉和從導(dǎo)葉流入葉輪時(shí),導(dǎo)葉擴(kuò)壓作用使得動(dòng)能轉(zhuǎn)換為壓力能,由于導(dǎo)葉是靜止的,在轉(zhuǎn)動(dòng)的葉輪中間對(duì)流動(dòng)有一定的干涉作用。

圖4 不同工況下壓力分布Fig.4 Pressure distribution under different operating conditions

隨著流量的增大,進(jìn)出口差值逐漸減小,從而揚(yáng)程降低。首級(jí)葉輪葉片的進(jìn)口梯度變化更加明顯,這是因?yàn)橛森h(huán)形吸入室進(jìn)入葉輪的流體速度增大且更不穩(wěn)定,對(duì)葉片進(jìn)口的沖擊大,壓力梯度大。次級(jí)葉輪葉片進(jìn)口梯度也有一定的變化,但由于流動(dòng)較首級(jí)的穩(wěn)定,梯度變化較小。

圖5為不同流量下壓縮單元0.5葉高處回轉(zhuǎn)面的速度矢量分布圖。從圖5中可以看出,葉輪內(nèi)流動(dòng)較為復(fù)雜,葉輪進(jìn)口發(fā)生回流,回流程度隨流量的增大逐漸減小。同時(shí),流體在繞流葉片頭部時(shí),在葉片入口的吸力面附近產(chǎn)生了局部耗能漩渦,導(dǎo)致葉片表面相對(duì)流線的脫離,出現(xiàn)脫流現(xiàn)象,這種脫流程度隨流量的增大也逐漸增大。導(dǎo)葉入口工作面附近也存在流動(dòng)沖擊現(xiàn)象,導(dǎo)葉內(nèi)的流動(dòng)存在不同程度大小的漩渦流,在導(dǎo)葉工作面尾緣的位置存在成對(duì)的漩渦。漩渦的位置和大小隨著流量的增加從導(dǎo)葉吸力面向相鄰導(dǎo)葉工作面逐漸移動(dòng)且減小。這主要是因?yàn)榻?jīng)過(guò)葉輪增壓了的流體介質(zhì)進(jìn)入導(dǎo)葉流道時(shí),在小流量條件下,流體沿著導(dǎo)葉頭部進(jìn)入導(dǎo)葉流道內(nèi),在導(dǎo)葉入口吸力面形成局部漩渦,導(dǎo)葉尾緣位置的漩渦主要是因?yàn)榱鞒鰧?dǎo)葉的流體在后一級(jí)葉輪高速旋轉(zhuǎn)的擾動(dòng)作用下形成了回流現(xiàn)象。隨流量的增大,葉輪出流角與導(dǎo)葉葉片安放角逐漸趨于一致,流動(dòng)沖擊減小,弱化了產(chǎn)生漩渦的條件,且改變了下級(jí)葉輪入口流體介質(zhì)的速度環(huán)量。因此隨流量的增加,漩渦的位置及大小也發(fā)生了改變。并且,隨著流量的增大,導(dǎo)葉出口位置尾流區(qū)域的回流現(xiàn)象也得到一定程度的改善,這是因?yàn)樵趯?dǎo)葉吸力面的漩渦流向相鄰導(dǎo)葉工作面逐漸移動(dòng)并減小的過(guò)程中,破壞了導(dǎo)葉出口位置的回流運(yùn)動(dòng),在較大的流動(dòng)速度下,削弱了導(dǎo)葉出口的回流程度。

圖5 不同工況下速度分布Fig.5 Speed distribution under different operating conditions

3 壓力脈動(dòng)特性分析

通過(guò)非定常數(shù)值計(jì)算,得到不同流量下監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力時(shí)域信息,引入壓力系數(shù)Cp來(lái)衡量壓力脈動(dòng)的幅值,Cp的表達(dá)式為

(2)

其中:Pi為監(jiān)測(cè)點(diǎn)在某一時(shí)刻的壓力值(Pa);Pave為一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)的壓力時(shí)均值(Pa);ρ為工作介質(zhì)密度(kg/m3);u2為葉輪出口圓周速度(m/s)。

圖6為動(dòng)葉1葉片進(jìn)出口處監(jiān)測(cè)點(diǎn)在不同工況下的壓力脈動(dòng)頻域圖。從圖6中可以看出,動(dòng)葉1上葉片進(jìn)口監(jiān)測(cè)點(diǎn)A1的脈動(dòng)幅值明顯大于出口監(jiān)測(cè)點(diǎn)A2。監(jiān)測(cè)點(diǎn)A1在設(shè)計(jì)流量下的脈動(dòng)幅值最小,脈動(dòng)的主頻為葉輪葉頻(300 Hz),隨流量的增加,在軸頻(75 Hz)處逐漸出現(xiàn)脈動(dòng)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)A2的脈動(dòng)幅值隨流量的增大而減小,脈動(dòng)的主頻為軸頻,且脈動(dòng)隨流量的增大也逐漸減小。

圖6 葉輪1監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)頻域圖Fig.6 Pressure pulsation frequency domain at impeller monitoring point 1

圖7為動(dòng)葉2葉片進(jìn)出口處監(jiān)測(cè)點(diǎn)在不同工況下的壓力脈動(dòng)頻域圖。從圖7中可以看出,動(dòng)葉2上葉片進(jìn)口監(jiān)測(cè)點(diǎn)C1的脈動(dòng)幅值明顯大于出口監(jiān)測(cè)點(diǎn)C2。監(jiān)測(cè)點(diǎn)C1的脈動(dòng)幅值和脈動(dòng)主頻隨流量的變化而變化,在設(shè)計(jì)工況下的脈動(dòng)幅值最小,脈動(dòng)主頻在葉輪葉頻或其倍葉頻處。軸頻處的脈動(dòng)在大流量下最小。監(jiān)測(cè)點(diǎn)C2的壓力脈動(dòng)與流量的變化關(guān)系同監(jiān)測(cè)點(diǎn)A2的類(lèi)似,均在大流量下的脈動(dòng)幅值最小,脈動(dòng)的主頻仍是軸頻,且隨流量的增大也逐漸減小。

圖7 葉輪2監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)頻域圖Fig.7 Pressure pulsation frequency domain at impeller monitoring point 2

圖8為靜葉葉片進(jìn)出口處監(jiān)測(cè)點(diǎn)在不同工況下的壓力脈動(dòng)頻域圖。從圖8中可以看出,靜葉葉片出口監(jiān)測(cè)點(diǎn)B2的脈動(dòng)幅值明顯大于進(jìn)口監(jiān)測(cè)點(diǎn)B1。監(jiān)測(cè)點(diǎn)B2在大流量下的脈動(dòng)幅值最小,其脈動(dòng)的主頻隨流量的變化而變化,但均在葉輪葉頻或其倍葉頻處。軸頻處的脈動(dòng)幅值在大流量下最小。監(jiān)測(cè)點(diǎn)B1的脈動(dòng)微弱,其在大流量下的脈動(dòng)幅值最小,軸頻處的脈動(dòng)也隨流量的增大而減小。

圖8 導(dǎo)葉監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)頻域圖Fig.8 Pressure pulsation frequency domain at guide vane monitoring points

綜合以上分析可知,流體進(jìn)入首級(jí)葉輪以后,在流量逐漸增大的情況下,壓縮級(jí)內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)受到葉輪與導(dǎo)葉間的動(dòng)靜干涉作用逐漸增強(qiáng),而受到泵軸轉(zhuǎn)速的影響逐漸減弱,而首級(jí)葉輪進(jìn)口處的流動(dòng)狀態(tài)只與泵軸轉(zhuǎn)速有關(guān)?；燧敱脛?dòng)靜干涉作用在級(jí)間的作用較級(jí)內(nèi)的更強(qiáng)。

4 聲場(chǎng)數(shù)值結(jié)果分析

4.1 葉輪誘導(dǎo)噪聲特性分析

圖9為葉輪偶極子聲源在3種工況下的聲壓級(jí)頻率響應(yīng)曲線分布。從圖9中可以看出,葉輪偶極子的聲壓級(jí)頻率以軸頻為周期脈動(dòng),在葉頻及其倍葉頻處峰值較大。泵的進(jìn)、出口場(chǎng)點(diǎn)處的聲壓級(jí)頻率響應(yīng)曲線在各個(gè)工況下的趨勢(shì)基本一致,波形大致相似。

圖9 葉輪偶極子聲源在不同工況下聲壓級(jí)頻率響應(yīng)曲線Fig.9 Sound pressure level frequency response curve under different operating conditions of impeller dipole sound source

表1為葉輪誘導(dǎo)噪聲在3個(gè)特征頻率下混輸泵進(jìn)出口場(chǎng)點(diǎn)不同工況下的聲壓級(jí)信息。對(duì)比表1中的數(shù)據(jù)可知,葉輪誘導(dǎo)噪聲在小流量工況下的聲壓級(jí)最大,在設(shè)計(jì)工況下的聲壓級(jí)最小,泵出口場(chǎng)點(diǎn)的聲壓級(jí)均大于進(jìn)口場(chǎng)點(diǎn)。

表1 葉輪誘導(dǎo)噪聲在不同工況下泵進(jìn)出口場(chǎng)點(diǎn)聲壓級(jí)

4.2 導(dǎo)葉誘導(dǎo)噪聲特性分析

圖10為導(dǎo)葉偶極子聲源在3種工況下的聲壓級(jí)頻率響應(yīng)曲線。從圖10中可以看出,導(dǎo)葉誘導(dǎo)噪聲的聲壓級(jí)頻率以葉輪葉頻為周期脈動(dòng),在3倍葉頻處的峰值較大。在小流量和設(shè)計(jì)流量下,導(dǎo)葉葉頻(825 Hz)處也出現(xiàn)明顯的峰值。隨頻率的增大,聲壓級(jí)都呈現(xiàn)衰減趨勢(shì)。

圖10 導(dǎo)葉偶極子聲源在不同工況下聲壓級(jí)頻率響應(yīng)曲線Fig.10 Sound pressure level frequency response curve under different operating conditions of guide vane dipole source

表2為導(dǎo)葉誘導(dǎo)噪聲在3個(gè)特征頻率下混輸泵進(jìn)出口場(chǎng)點(diǎn)不同工況下的聲壓級(jí)信息。

表2 導(dǎo)葉誘導(dǎo)噪聲在不同工況下泵進(jìn)出口場(chǎng)點(diǎn)聲壓級(jí)

對(duì)比表2中的數(shù)據(jù)可知,導(dǎo)葉誘導(dǎo)噪聲在不同工況和不同特征頻率下的聲壓級(jí)水平有所不同,葉輪葉頻下,設(shè)計(jì)工況的出口場(chǎng)點(diǎn)聲壓級(jí)最小,進(jìn)口場(chǎng)點(diǎn)聲壓級(jí)隨流量的增大而增大。導(dǎo)葉葉頻下,1.2Qd工況的出口場(chǎng)點(diǎn)聲壓級(jí)最小,進(jìn)口場(chǎng)點(diǎn)聲壓級(jí)隨流量的增大而減小,3倍葉輪葉頻下,1.2Qd工況的泵進(jìn)出口場(chǎng)點(diǎn)聲壓級(jí)均最小。

通過(guò)對(duì)比可知,混輸泵葉輪誘導(dǎo)噪聲明顯大于導(dǎo)葉誘導(dǎo)噪聲,葉輪誘導(dǎo)噪聲與泵轉(zhuǎn)速和葉輪葉片數(shù)有關(guān),導(dǎo)葉誘導(dǎo)噪聲不僅與泵轉(zhuǎn)速有關(guān),還受到葉輪葉片數(shù)與導(dǎo)葉葉片數(shù)的共同作用。

5 結(jié)論

(1) 葉輪與導(dǎo)葉間的動(dòng)靜干涉區(qū)域壓力梯度較大,是影響水力性能的重要區(qū)域,葉柵內(nèi)壓力脈動(dòng)受葉片通過(guò)頻率以及動(dòng)靜干涉作用的影響,脈動(dòng)幅值主要對(duì)應(yīng)于葉頻及其倍頻處,隨流量的增大,動(dòng)靜干涉作用逐漸增強(qiáng),泵轉(zhuǎn)速的影響逐漸減弱。

(2) 混輸泵內(nèi)葉輪誘導(dǎo)噪聲在泵出口場(chǎng)點(diǎn)的聲壓級(jí)較泵進(jìn)口場(chǎng)點(diǎn)的聲壓級(jí)大,噪聲峰值在葉頻及倍葉頻處,頻譜特性與壓力脈動(dòng)情況并不完全一致,說(shuō)明壓力脈動(dòng)僅是影響混輸泵內(nèi)流動(dòng)誘導(dǎo)噪聲的聲源之一。

(3) 葉輪誘導(dǎo)噪聲與泵轉(zhuǎn)速及葉輪葉片數(shù)有關(guān),導(dǎo)葉誘導(dǎo)噪聲則主要受到葉輪葉片數(shù)與導(dǎo)葉葉片數(shù)的共同作用,說(shuō)明混輸泵內(nèi)葉輪與導(dǎo)葉間的動(dòng)靜干涉作用是其內(nèi)聲場(chǎng)噪聲的主要影響因素。

(4) 葉輪誘導(dǎo)噪聲聲壓級(jí)較導(dǎo)葉誘導(dǎo)噪聲的聲壓級(jí)大,說(shuō)明今后對(duì)混輸泵的低噪聲優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)主要著眼于對(duì)混輸泵葉輪的參數(shù)改良。