一种基于LES/LBM的离心泵内流动诱导噪声数值计算方法技术

本发明专利技术公开了一种基于LES/LBM的离心泵内流动诱导噪声数值计算方法。本发明专利技术的过程为：试验测量离心泵的能量性能和振动特性；将LES亚格子模型引入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；基于模态响应对流体激励动载荷下离心泵的振动进行计算，分析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；采用DBEM对离心泵内流动诱导噪声进行数值计算。本发明专利技术不仅能够准确计算离心泵内部瞬态流场，提高离心泵内流动诱导噪声的数值计算精度，还能应用到其他类型的流体机械内流动诱导噪声的精确数值计算中。

Numerical calculation method of flow induced noise in centrifugal pump based on LES/LBM

The invention discloses a numerical calculation method of flow induced noise in centrifugal pump based on LES/LBM. The process of the invention is that the energy and vibration test of centrifugal pump; the LES subgrid model is introduced into LBM, the establishment of LES/LBM model, and LES/LBM model of internal flow of the centrifugal pump based on numerical calculation; calculation of vibration response under the centrifugal pump for fluid excitation load based on modal analysis, vibration velocity centrifugal pump blade frequency at the value of relative error between the experimental value and the DBEM of centrifugal pump; numerical calculation of flow induced noise. The invention not only can accurately calculate the internal transient flow in centrifugal pump, centrifugal pump to improve the flow induced noise numerical calculation accuracy, but also can be applied to other types of fluid machinery in accurate numerical computation of the flow induced noise.

【技术实现步骤摘要】
一种基于LES/LBM的离心泵内流动诱导噪声数值计算方法
本专利技术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。
技术介绍
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，本专利技术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。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术旨在提供一种基于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。本专利技术的有益效果是：(1)本专利技术将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)本专利技术提供的一种基于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)本专利技术提供的一种基于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为本专利技术的流程图；图2为本专利技术实施例中多级离心泵结构示意图；图3为本专利技术实施例中多级离心泵振动计算结果与试验结果对比；图4为本专利技术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专利技术作进一步的说明，但本专利技术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，对计算值进行本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于LES/LBM的离心泵内流动诱导噪声数值计算方法，其特征在于，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；(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格子Boltzmann方法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，计算得出离心泵的能量性能；(3)基于模态响应对流体激励动载荷下离心泵的振动进行计算，分析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；(4)采用直接边界元法DBEM对离心泵内流动诱导噪声进行数值计算。

【技术特征摘要】
1.一种基于LES/LBM的离心泵内流动诱导噪声数值计算方法，其特征在于，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；(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格子Boltzmann方法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，计算得出离心泵的能量性能；(3)基于模态响应对流体激励动载荷下离心泵的振动进行计算，分析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；(4)采用直接边界元法DBEM对离心泵内流动诱导噪声进行数值计算。2.根据权利要求1所述的一种基于LES/LBM的离心泵内流动诱导噪声数值计算方法，其特征在于：步骤(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，具体步骤如下：(A)试验前，对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；(B)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。3.根据权利要求1所述的一种基于LES/LBM的离心泵内流动诱导噪声数值计算方法，其特征在于：步骤(2)将LES亚格子模型引入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，并计算得出离心泵的能量性能，具体步骤如下：(A)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；(B)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；(C)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...

【专利技术属性】
技术研发人员：王凯，李钰，刘厚林，谈明高，王勇，董亮，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32