發(fā)布時間：2020-05-20 09:20

【摘要】：噪聲污染作為與大氣污染、水污染、土壤污染、固體廢物污染等并列的人類面臨的重大環(huán)境問題之一,將其控制、降低甚至徹底消除越來越成為生態(tài)文明建設(shè)的重要課題。射流離心泵過流部件多、內(nèi)部流動形態(tài)十分復(fù)雜,運行過程中常伴隨著強烈的噪聲,隨著環(huán)境保護標(biāo)準(zhǔn)的日益嚴(yán)格和人們生活品質(zhì)的不斷提高,用戶對射流離心泵的聲學(xué)性能也有了更高要求。本文以JET750G1型的射流離心泵為對象,采用理論分析、試驗測試和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對非自吸工況下泵內(nèi)部非定常流動及其聲學(xué)響應(yīng)特性進行研究,旨在為射流離心泵的“高效和安靜”設(shè)計提供理論參考和技術(shù)支持,也為其他類型泵的流體動力噪聲的控制和優(yōu)化提供借鑒。主要工作和創(chuàng)新性成果有:1、開展射流離心泵水力性能與內(nèi)場流體動力噪聲特性的試驗研究。結(jié)果表明:聲壓在時域的脈動周期與葉輪旋轉(zhuǎn)周期一致;聲壓峰值主要表現(xiàn)在軸頻及葉頻處,其中軸頻處的噪聲水平最為明顯;流體動力噪聲主要表現(xiàn)在400Hz以內(nèi)的中低頻段,除了軸頻、葉頻等特征頻率處表現(xiàn)出明顯的離散噪聲外,在其他頻段也呈現(xiàn)出不可忽視的寬帶噪聲。2、采用數(shù)值方法研究不同工況下射流離心泵內(nèi)部非定常流動特性。結(jié)果表明:射流離心泵水力性能及其內(nèi)部流場的脈動特性主要與兩大因素有關(guān),一是泵體內(nèi)流動在各個方向不對稱且流動過程復(fù)雜,破壞了導(dǎo)葉、葉輪、噴射器內(nèi)流動在時間的穩(wěn)定性和空間的平衡性,致使泵的水力效率較低;二是葉輪和導(dǎo)葉之間的動靜干涉作用是影響射流離心泵內(nèi)部流場非定常脈動規(guī)律最關(guān)鍵的因素。3、基于聲類比理論及方法,研究和分析不同工況下過流部件誘發(fā)的不同機理的流體動力噪聲在內(nèi)、外場空間的輻射特性。結(jié)果表明:葉輪和導(dǎo)葉之間的動靜干涉、泵內(nèi)流體和泵體結(jié)構(gòu)的共振均是射流離心泵內(nèi)、外場流體動力噪聲的重要影響因素,過流部件自身的結(jié)構(gòu)和材料屬性對流體動力噪聲有重要影響。葉輪誘導(dǎo)噪聲是射流離心泵內(nèi)場流體動力噪聲的最大貢獻因素,導(dǎo)葉誘導(dǎo)噪聲是外場流體動力噪聲的最大貢獻因素。4、采用響應(yīng)面分析法結(jié)合CFD/CFA技術(shù)分析葉片型線對射流離心泵水力性能及葉輪旋轉(zhuǎn)噪聲特性的影響。結(jié)果表明:葉片包角、葉片出口安放角、葉片進口直徑是影響射流離心泵水力和聲學(xué)性能最顯著的3個因素;水力性能最優(yōu)和聲學(xué)性能最優(yōu)存在相互制約性,較小的包角、較大的出口安放角、較小的葉片進口直徑有助于改善射流離心泵的水力性能,聲學(xué)性能最優(yōu)時葉型各控制參數(shù)不宜偏大或偏小;聲學(xué)性能和水力性能的映射在葉片型線的樣本空間具有逼近Pareto解的能力,Pareto前沿解沿一條呈下的凸形曲線分布。5、采用數(shù)值方法研究動靜干涉對葉輪和導(dǎo)葉內(nèi)部流場及其誘導(dǎo)噪聲的特性。結(jié)果表明:良好的導(dǎo)葉葉型設(shè)計能夠改善葉輪內(nèi)部的流場結(jié)構(gòu),減少漩渦及流道堵塞等現(xiàn)象,提升葉輪的水力和聲學(xué)性能,同時良好的葉輪葉型設(shè)計能夠提升導(dǎo)葉的水力和聲學(xué)性能;動靜干涉作用對葉輪和導(dǎo)葉內(nèi)部流場脈動強度的影響要明顯比對其時均值的影響更加敏感;導(dǎo)葉葉片的存在破壞了葉輪內(nèi)部流場的穩(wěn)定性和平衡性,但能夠在一定程度上抑制葉輪誘導(dǎo)噪聲水平;葉輪誘導(dǎo)噪聲受導(dǎo)葉進口安放角和動靜葉柵間隙的影響最為明顯,導(dǎo)葉誘導(dǎo)噪聲水平受葉輪出口安放角和動靜葉柵間隙的影響最為明顯;動靜葉柵內(nèi)部流場的演化過程主要與葉輪及導(dǎo)葉葉片數(shù)有關(guān),葉輪和導(dǎo)葉的其他結(jié)構(gòu)參數(shù)只影響漩渦的強度,而不改變其基本演化規(guī)律。6、采用正交試驗方法結(jié)合CFD/CFA技術(shù)對葉輪與正導(dǎo)葉的動靜葉柵匹配進行多目標(biāo)優(yōu)化,采用矩陣分析法確定兼顧水力和聲學(xué)性能指標(biāo)的綜合性能優(yōu)化方案。結(jié)果表明:優(yōu)化后,額定工況下泵的揚程不變,水力效率提高0.5%,葉輪誘導(dǎo)噪聲降低7.1%,導(dǎo)葉誘導(dǎo)噪聲升高2.1%;動、靜葉柵的不同匹配方案對射流離心泵揚程的影響比對其效率的影響敏感,對導(dǎo)葉誘導(dǎo)噪聲的影響比對葉輪誘導(dǎo)噪聲的影響敏感;低噪聲射流離心泵設(shè)計的關(guān)鍵是合理確定動靜葉柵間隙及動、靜葉柵的葉片數(shù),動靜葉柵的匹配設(shè)計是實現(xiàn)射流離心泵高效低噪設(shè)計的有效方法。7、采用本征正交分解(POD)法結(jié)合CFD/CFA技術(shù)對葉輪域非定常流場脈動強度及其誘導(dǎo)噪聲進行重構(gòu)與預(yù)測研究。結(jié)果表明:基于樣本的葉型參數(shù)、流場脈動強度場及流動誘導(dǎo)噪聲的映射關(guān)系,重構(gòu)目標(biāo)葉型壓力脈動強度場的相對誤差在4.0%以內(nèi),速度脈動強度場的相對誤差在3.0%以內(nèi),湍動能脈動強度場的相對誤差在4.5%以內(nèi),流動誘導(dǎo)噪聲相對誤差在10%以內(nèi)。將Gappy POD方法作為代理模型對離心泵葉輪優(yōu)化過程中流場脈動強度、噪聲輻射水平預(yù)估,不僅可以明顯減少計算量和計算時間,極大提高優(yōu)化速度和效率,亦可在優(yōu)化過程中為模型的噪聲和振動等特性判斷提供參考。
【學(xué)位授予單位】：蘭州理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TH311

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本文編號：2672400