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第l 7卷增刊 2004年8月振动工程学报Journal of Vibration Engineering V01.

17 No.S Aug.2004 立式水泵泵体辐射噪声计算研究 许庆新 沈荣瀛 (上海交通大学振动、冲击、噪声国家重点实验室上海,200030) 摘要针对水泵的空间噪声,在结构有限元分析的基础上,提出了一种计算水泵在流体脉动压力下辐射声场的 方法.考虑流体诱导产生的脉动压力,通过有限元分析计算出泵体表面的振动速度分布,采用直接边界元的方法, 计算空间的辐射噪声.这种计算方法可以用来预估水泵的空间辐射噪声声场,具有一定的工程意义. 关键词:水泵;

脉动压力;

辐射噪声 中图分类号:TB535 水泵的噪声是水泵重要的质量指标,它即是考 核水泵对环境污染的量化指标,也可以反映水泵的 设计和制造质量,因此对水泵辐射噪声的分析十分 必要.由于噪声的存在,影响人们的工作学习和身体 健康.实际上,在中国城市区域环境噪声标准中,已 经规定水泵房周围的居民区内,白天只允许50~60 dB(A),夜间只允许有40~50 dB(A),而在特殊工 作环境和军用领域,噪声标准还要高.所以,为了严 格执行国家对水泵噪声要求的规定,需要对水泵的 噪声进行研究. 水泵运转时因各种原因会产生不同程度的振动 和噪声.因为工作压力的波动与脉动、流体的不稳定 流动、阀门半开引起的涡流、气蚀、水锤、转动部件不 平衡、安装缺陷引起的偏心转动、油膜的影响等因素, 都会产生振动,形成噪声源.水泵噪声的传播通常有 两个途径:一为由泵体表面振动通过空气向外辐射传 播;

二是通过管道、支架、基础等固体向外传播. 本文以某立式水泵为实际对象,考察由于流体 压力脉动引发泵体结构振动所产生的噪声,计算从 泵体表面通过空气向外传播的空间噪声特性,从而 实现水泵辐射声场的预估.采用有限元方法计算脉 动压力诱导产生的泵体结构振动,根据计算得到的 泵体表面振动速度分布,再采用直接边界元的方法, 计算空间的辐射噪声分布.这种有限元+边界元的 数值分析方法,可以用来预估水泵的辐射噪声,具有 一定的工程实用价值.

1 理论基础 简谐激励作用下结构振动在外部流体介质中产 收稿日期:2004―04―20 生的辐射声压p(r,∞)满足Helmholtz微分方程 V 2p 4-志2户一0 (1) 和流固界面质点运动的连续性条件 警一一iwpv. (2) 咖 以及Sommerfeld辐射条件 墼H警一户)]一o ㈣ 式中k一叫/c为波数,叫为圆频率,c为流体介质中 的声速,lD为流体介质的密度,聆为结构表面5的外 法向单位矢量,u.为结构表面S的外法向振速.,一一 Q―P;

,Q为结构表面'

S上任意点,P为空间中任 意点. 对于单频稳态声场,方程(1)有如下的 Helmholtz积分解 ∥户d('

rp,肌丘)氅乒一 G(蠢,;

.)Op(rq)]dS(7.) 式中 (瓦)为观测点位置;

G(乃,五)一(4) e―ikR(;

'

p・r'

q) ―4zrR(7―p,7.)为 格林函数,尺(习,rq)一I蠢一蠢I;

S为声源表面,聆为 声源表面的外法线方向;

口(巧)是与(i)所在区域和 5是否为光滑的封闭曲面有关的系数. 采用直接边界元方法对方程(4)进行离散化,可 得如下矩阵方程 (P,}一1-41{P,)4-[B]{P:.} (5) [c]{P,)一[D]{JP:.) (6) 由方程(6)可得 {尸,)=[c]_1[D]{P二) (7) 万方数据 增刊 许庆新等:立式水泵泵体辐射噪声计算研究 式中 {P,}和{P:.)分别为声源表面S上节点处的 声压列向量和节点处法线方向的声压梯度列向量,

3 辐射噪声计算结果 {P,)是声场中的声压列向量. 将上式代入S之外场中积分方程的离散化方 程(5),可得声源表面S之外声场中声压, {P,}一([A][C]~1[D]-I-[B]){P二) (8) 因此,如果{P:.)已知,则可计算出声场中声压{P,). 如果已知声源表面S上质点的法向位移 .或法向 振速口.,则根据方程(2)可以计算出结构表面5上 的声压梯度{P),进而可计算出声场中声压{P,). 2泵体表面振动速度计算 以某立式水泵为实际对象,建立有限元模型,计 算在流体脉动压力下泵体表面的振动速度分布. 建立水泵有限元模型时,为了减小工作量,需要 对模型作适当简化.在水泵与电动机联接的法兰处、 水泵与进出水管联接的法兰处,采用相当质量的板单 元模拟法兰及其联接件对水泵振动的影响,同时也简 化了泵体外声场计算的复杂性.水泵额定转速为600 r/min,额定工况下流体脉动压力幅值为0.3 MPa, 并且假设流体脉动压力是以正弦的形式作用于流道 上的.水泵和电动机联接端有支架支承,所以作为固 定边界条件处理.水泵泵体的有限元模型见图1. 图1 水泵泵体有限元模型 采用有限元方法计算得到泵体表面的法向振动 速度分布,见图2. 图2泵体表面法向振动速度分布 根据有限元计算得到的泵体表面振动速度分 布,可以利用边界元软件SYSNOISE,采用直接边 界元方法计算泵体外空间的辐射噪声分布.由于水 泵工作时流体压力引发表面振动的基频是10 Hz, 所以数值计算时选用频域分析方法来计算10 Hz的 辐射声场. 在SYSNOISE中通过布置不同的场点分布,可 以获得声场中任意一点的声学参数.图3是平行于 安装平面,距水泵重心1 1TI处的辐射声场指向性 图.图4是距水泵重心1 1TI的半球面声压级分布图. 从以上计算结果可以看出,距水泵1 ITI处的

10 Hz辐射噪声大约为40 dB,这部分噪声主要由靠 近出水口的流道弯曲处泵体表面的振动所引发.辐 射噪声的近场分布与有限元计算得到的表面振动分 布是相一致的,这说明了计算方法的可行性.

902 1赌%. 270. 0=90. 8.20 形趴夕

60、 .z40 } { 延7.20夕..、 f 1≮? 罗'

J ≮ } / ./ 图3声场指向性图 图4半球面声场声压级分布图

4 结束语 通过对立式水泵泵体辐射噪声的分析,表明采 用有限元方法计算结构表面振动速度分布,以此为 万方数据

968 振动工程学报第1 7卷 基础进一步用边界元方法计算结构外空间辐射噪 声,这是一种预估结构辐射噪声的有效方法.有限元

2 和边界元方法相结合计算结构辐射噪声的方法,对 于产品噪声分析和设计改进具有实际的工程应用价

3 值. 参考 文献

1 黎胜,赵德有.用有限元/边界元方法进行结构声辐射

4 5 的模态分析.声学学报,2001;

(2):174―1

79 商德江,何祚镛.加肋双层圆柱壳振动声辐射数值计算分 析.声学学报,2001;

26(3):193―201 Zheng H,Liu G R,Tao J S,et a1.FEM/BEM analysis of diesel piston―・slap induced ship hull vibration and under―― water noise.Applied Acoustics,2001;

62:341―358 杨德庆,郑靖明,王德禹等.基于SYSNOISE软件的船舶 振动声学数值计算.中国造船,2002;

43(4):33―37 王有成.工程中的边界元方法.北京:中国水利水电出版 社,1996 Simulation of Noise of Pump Body Xu.Qingxin Shen Rongying (State Key Laboratory of Vibration Shock&

Noise,Shanghai Jiao Tong University Shanghai,200030) Abstract Because impulsive pressure of water in working pump can introduce the surface vibration of pump body,noise is generated and transmitted from the surface tO around space.Based on computation about normal velocity of exterior surface of pump body,noise in the space is simulated by direct BEM method.It is an avail and helpful method in engineering to predict noise through the combination of FEM and BEM. Key words:pump;

impulsive pressure;

noise 第一作者 许庆新 男,博士生,1979年1月生.

电话:(021)54744990―107;

E―mail:xqx@sjtu.edu.cn 万方数据 立式水泵泵体辐射噪声计算研究 作者: 许庆新, 沈荣瀛, Xu Qingxin, Shen Rongying 作者单位: 上海交通大学振动、冲击、噪声国家重点实验室,上海,200030 刊名: 振动工程学报 英文刊名: JOURNAL OF VIBRATION ENGINEERING 年,卷(期): 2004,17(z2) 引用次数: 0次 参考文献(5条) 1.黎胜.赵德有 用有限元/边界元方法进行结构声辐射的模态分析[期刊论文]-声学学报 2001(2) 2.商德江.何祚镛 加肋双层圆柱壳振动声辐射数值计算分析[期刊论文]-声学学报 2001(3) 3.Zheng H.Liu G R.Tao J S FEM/BEM analysis of diesel piston-slap induced ship hull vibration and underwater noise

2001 4.杨德庆.郑靖明.王德禹.金咸定 基于SYSNOISE软件的船舶振动声学数值计算[期刊论文]-中国造船 2002(4) 5.王有成 工程中的边界元方法

1996 相似文献(6条) 1.会议论文 许庆新.沈荣瀛 立式水泵泵体辐射噪声计算研究

2004 针对水泵的空间噪声,在结构有限元分析的基础上,提出 一种计算水泵在流体脉动压力下辐射声场的方法.考虑流体诱导产生的脉动压力,通过有限元 分析计算出泵体表面的振动速度分布,采用直接边界元的方法,计算空间的辐射噪声.这种计算方法可以用来预估水泵的空间辐射噪声声场,具有一定的工 程意义. 2.期刊论文 傅宗甫.严忠民.周春天.刘明明 双向进水流道模型脉动压力测试及其特性 -中国农村水利水电2005(1) 分析了脉动压力测试过程中的主要影响因素,针对泵站流道模型脉动压力的测试主要受水泵振动影响的特点,提出了采用隔振原理进行模型设计,从而 有效减小水泵运行时振动对脉动压力信号影响的方法,成功地对水泵启动及稳定运行过程中流道内的脉动压力进行了量测,并根据水泵不同的运行方式,采 用不同的采样频率对脉动压力信号进行采集和分析处理,得出了各种工况下脉动压力的幅值和频域特性. 3.期刊论文 傅宗甫.严忠民.叶舜涛.王瑟澜 双向进水流道水力特性模型试验研究 -水利水电科技进展2001,21(5) 分析模型的相似准则及其主要作用力,考虑工况相似要求,提出泵站进出水池和流道内分别按不同的相似准则进行设计的方法.结合彭越浦泵站水工 模型试验,对双向流道进口前漩涡及流道内的涡带、喇叭口附近流速分布、水泵起动及稳定运行过程中流道内的脉动压力和进出水流道的水头损失等水 力特性进行全面的观测和分析,提出在流道内设置垂直隔板及导流锥加隔板两种消涡的工程措施. 4.期刊论文 刘玉梅.方环 用于脉动压力测量的弹簧管压力表的改造 -计量技术2008(5) 用普通弹簧管压力表测量脉动压力造成仪表频繁损坏乃至造成事故的现象比较常见. 增大阻尼 是解决上述问题的有效方法之一.本文探讨了用尼龙 棒或金属棒等材料制作阻尼器,来改造普通弹簧管压力表的具体方法.该方法在某企业锅炉进水泵上应用了2年,效果很好. 5.学位论文 王荣Z 孔内局部循环节水钻探系统设计与计算机仿真

2005 钻孔冲洗是钻井过程的重要组成环节.钻孔冲洗液在孔内的循环的主要作用是清除岩屑、冷却钻头、润滑碎岩工具和孔内钻具以及维护孔壁. 采用传统的钻探工艺,都必须消耗大量水.水一直是困扰干旱缺水地区和漏失地层正常钻探的一个重要因素.在干旱缺水的地区进行钻探,如果采用传 统的钻探工艺,就必须从其他地方运送大量的水(在西部干旱地区往往要从几十公里外运水),在西部缺水地区1台钻机配两辆水罐车还经常停工待水的现 象经常发生,这样就大大增加了钻探成本.另外,在漏失地层钻进如果按照传统的工艺方法,必须用套管隔离或封孔堵漏的办法处理漏失段,从而极大 地增加了施工成本和时间消耗,同时堵漏材料还会造成环境污染;

如果顶漏钻进,则不仅浪费大量的水,增加钻孔成本,而且可能冲垮地层、诱发滑坡 等地质灾害.目前国内外钻进漏水孔最经济的办法是实现钻井液在孔内局部循环钻进,即在基本不消耗地表水的前提下,利用孔内地层中的水作为冲洗 液,来完成破碎孔内岩石时钻头冷却、携带岩粉和维护孔壁的任务,实现正常钻进. 课题组考虑到在缺水地区,漏失地层中往往存在有地层水的 孔段,决定充分利用钻孔中地层水作为钻孔冲洗液,在钻具创新上下功夫,研制孔内局部循环节水钻探系统,配合传统的钻机、泥浆泵、动力机 三大 件 和普通回转钻头,在不降低钻探效率的前提下,便可取得既大量节水、又不扰动地层的效果,具有现实意义和推广价值. 本文结合国土资源 部中国地质调查局地质调查项目 地质灾害防治节水钻探技术研究 项目,旨在借助项目基金的资助,综合运用机械设计、流体力学、数值计算方法、 优化设计理论及计算机仿真技术等知识对孔内局部循环节水钻探系统开展研究.研究的主要内容如下:

1、孔内局部循环节水钻探系统创新设计的理论研 究;

2、孔内局部循环节水钻探系统的结构设计;

3、建立孔内局部循环节水钻探系统的数学模型,在此基础上开发计算机仿真程序,对其进行计算机仿 真研究,以深入了解孔内局部循环节水钻探系统的工作机理及其工作性能.并试图通过计算机仿真研究得出某些对该新技术、新机具设计或工艺过程优 化有一定指导意义的结论与建议. 论文全文共分七章,各章的主要内容如下:

第一章绪论.主要介绍了论文的来源,论文研究的目的和意 义,孔内局部循环钻具国内外研究现状,计算机仿真技术简介及研究应用现状,论文研究的可行性以及论文研究的主要内容.

第二章孔内局部循 环节水钻探系统的理论研究.主要介绍了实现孔内局部循环节水钻探的基本原则与思路,孔内局部循环节水钻探系统的组成及工作原理,潜水泵的结构 与工作原理,孔内局部循环节水钻探系统的数学模型.孔内局部循环节水钻探系统采用脉动器+孔内潜水泵的技术方案,其原理是通过水力脉冲驱动潜水 泵的活塞,形成孔内局部循环,达到冷却钻头、排除岩粉、实现正常钻进的目的.脉动器和潜水泵是孔内局部循环节水钻探系统中最重要的两个部件. 脉动器实质上是个双向阀,当地表往复泵的活................