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原文传递多源激励下船用泵流激噪声特性研究

论文题名：	多源激励下船用泵流激噪声特性研究
关键词：	船用泵;多源激励;流激噪声;补气降噪
摘要：	船用泵流体诱导噪声源非常复杂，主要包含叶轮偶极子、壳体偶极子、壳体流体激励和轴系传递力等。目前大部分研究主要集中在叶轮偶极子与壳体偶极子声源产生的流激噪声，但随着船用泵低噪声的要求不断提高，其他声源产生的流激噪声逐渐得到重视。为此，本文围绕叶轮偶极子、壳体偶极子、壳体流体激励和轴系传递力声源产生的流激噪声特性进行系统深入的研究，并结合船用泵的特点，探索补气降噪在船用泵上的应用，以期为船用泵的低噪声设计提供一定的理论和技术支撑。主要工作和获得的创新性成果如下：　　1.系统总结了离心泵流激噪声的声源及其计算方法，确定了船用泵不同声源激励噪声的求解方法。　　2.基于最小二乘法和小波法相结合的滤波方法对试验测试获得的船用泵振动和噪声信号进行降噪，并采用小波包时频分析、FFT和1/3倍频程法研究了进出口噪声的特性。结果表明：（1）基于最小二乘法和小波法相结合的滤波算法可满足降噪和不失真的要求，效果优于平滑滤波和卡尔曼滤波；（2）进出口噪声能量主要集中在480Hz以内，且在中心频率为50Hz、100Hz、315Hz频带内的声压级较大，说明1fAPF（轴频）和1fBPF（叶频）附近噪声能量较高；（3）随着流量的增加，进出口噪声的总声压级、1fAPF和1fBPF处的声压级先减小后增大，这由于设计工况下叶轮与蜗壳内部流动较为稳定，产生的偶极子声源较小。　　3.基于旋转曲率修正SST-SAS模型对船用泵全流场进行高精度数值计算，重点分析了诱导噪声的流体激励力特性和压力脉动特性，并引入熵产理论、涡动输运方程研究了泵内部不稳定流动特性。结果发现：（1）蜗壳扩散段1fAPF、2fAPF和1fBPF压力脉动幅值较大，隔舌1fBPF、2fBPF压力脉动幅值较大，说明叶轮与蜗壳的动静干涉作用对蜗壳的隔舌和扩散段影响较大；（2）叶片前缘、叶轮与泄漏腔的动静交界面、蜗壳隔舌处的压力脉动强度较高，表明泵低噪声水力优化应重点关注叶片出口安放角、蜗壳隔舌角和动静间隙；（3）叶片前缘涡、尾缘涡、蜗壳扩散段分离涡和叶片与蜗壳动静干涉作用引起的水力损失较大；（4）涡膨胀收缩项、科里奥利力项对叶轮的流道涡的产生和发展起主要作用，而涡粘性耗散项作用较小。　　4.采用BEM/FEM声振耦合法研究了船用泵叶轮偶极子流激噪声特性；基于达朗贝尔原理建立了轴系受力模型，提出了轴系传递力激励振动噪声的计算方法；采用FEM声振耦合法求解了壳体偶极子流激噪声、壳体流体激励振动噪声和轴系传递力振动噪声，并分析了不同声源激励内场噪声的频谱特性及对内声场的贡献大小。结果表明：（1）随着流量的增加，叶轮偶极子、壳体偶极子、壳体流体激励和轴系传递力产生的流激噪声的总声压级和1fBPF处的声压级先减小后增大，在1.0Qd下最小；（2）不同工况下，各声源叠加后的流激噪声总声压级比试验值低4dB左右，最大相对误差为2.5%；（3）0.8Qd~1.3Qd下，叶轮偶极子、壳体偶极子、壳体流体激励和轴系传递力对流激噪声总声压级的最大贡献量分别为74.0%、55.2%、1.1%、0.8%。　　5.基于平板声压透射与隔声理论分析了船用泵内场噪声透射与隔声特性，并针对泵内外场网格尺度差异较大、计算时间长，提出了一种基于耦合模态法计算船用泵外场噪声的方法，研究了不同声源下外场噪声的声压频谱、空间分布和声学指向性特性。研究表明：（1）泵壳体隔声量在30dB以上，1fAPF处的隔声量为38dBA，1fBPF处的隔声量为44.4dBA；（2）与声振耦合法相比，耦合模态法计算得到的壳体偶极子外场噪声的总声压级和主频上的相对误差分别为0.11%、0.1%，节约了1/3核时；（3）当流量从0.8Qd增加到1.3Qd时，叶轮偶极子、蜗壳偶极子、壳体流体激励和轴系传递力产生的外场噪声总声压级和1fBPF处的声压级先减小后增大。　　6.试验测量了不同入口补气率C下船用泵出口压力脉动、振动以及出口噪声，基于概率密度法、FFT法研究了基脚（M3）振动特性以及出口噪声频域特性，分析了10Hz-315Hz内振动与出口噪声减振降噪效果，同时基于相干性理论分析了不同信号间的相关性。研究发现：（1）当C=0.25、0.50、0.75时，泵的扬程和效率略有下降，均下降0.2%左右；（2）随着入口补气率的增加，M3的振动和出口噪声1fAPF处的幅值先增大后减小，而1fBPF处的幅值变化则相反；（3）0.8Qd、1.0Qd和1.3Qd下，最佳入口补气率分别为0.50、0.50、0.75，入口补气可显著减小1fBPF上的声压级，而1fAPF上的声压级和总声压级降幅不大；（4）压力脉动与振动信号在1fAPF处强相干，且相关系数与振动信号的频域分布规律相似，出口压力脉动与出口噪声信号在300Hz低频段内强相干，认为叶轮流道内的气相分布均匀性影响泵在1fAPF处振动变化规律，气泡在壁面聚集有助于减弱压力脉动激励，起到减振降噪作用。
作者：	马齐江
专业：	动力工程及工程热物理
导师：	刘厚林
授予学位：	博士
授予学位单位：	江苏大学
学位年度：	2022