水泵内部流动诱导噪声的预测

２０１２年第４期　小番柱采　・３５・　

肘弯形进水室管道泵内部流场　

的数值模拟和结构优化　

赵才甫　马鹏飞　

ｆ　１一南方泵业股份有限公司，杭州，３１　１　１０７；２一华中科技大学能源与动力学院，武汉，４３００７４）　

摘要：针对某公司研制的ＴＤＩ５０型管道泵在试验中出现设计点扬程偏低、小流量下噪声较强等问题，对泵内部流　场进行了全流道数值模拟，据此提出了优化方案。对优化后的管道泵进行了性能及噪声测试，结果表明，试验和数值　

模拟结果相差较少，小流量下泵的噪声显著降低，额定点扬程明显提高。　

关键词：离心泵管道泵蜗壳内部流场测试数值模拟优化　

离心单级单吸立式管道泵，结构简单，占地　面积小。其吸人口径和压出口径相同，且位于同　

一水平线上，便于在管道中安装，无需加装弯头，　维修时不用拆动管路，因此广泛应用于空调的水　

循环系统、暖通系统、高楼增压、消防稳压、工　

业输送以及石油化工等行业，是目前油品输送系　统中使用最普遍的设备。为适应管路安装，管道　泵进水室一般选用肘弯形进水流道，该种进水流　

道由于液流在叶轮吸人前突然转弯，形成了旋涡　区，影响进入叶轮的液流速度的均匀性，水力性　能较差，高扬程下容易产生较强的冲击噪声。管　

道泵过流部件的水力设计都采用基于一元流动理　论的半经验法，容易出现实际运行参数达不到设　

计要求的问题，此时，如果对整个过流部件重新　进行水力设计不但会延长产品的研发周期，而且　

增加成本。所以，实践中一般采用对泵的过流部　件实施局部修改优化来提高泵的性能ｌ１］。　

近年来，ＣＦＤ技术已经广泛地应用于水泵的　性能预ｉ贝０、泵内压力脉动的分析以及泵的设计改　

进和优化等方面。所以，本文引入数值模拟的方　

法，首先利用数值模拟结果结合以往经验提出优　化方案，然后分析优化改进后泵的内部流场以确　定该方案的可行性，最后通过试验验证并最终确　

定优化方案　】。　内部流场的数值模拟　

１．１计算模型　

管道泵模型选用Ｐｒｏ／Ｅ软件建造，其流动区域包　

离心式水泵汽蚀CFD分析

作者：曹良丹 沈栋平

来源：《智能制造》 2018年第6期

离心式水泵工作时，常出现流体机械特有的汽蚀现象。它使流道表面受到浸蚀破坏，引发振动，产生噪音；在严重时出现断裂流动，形成流道阻塞，造成水泵性能的下降。本文针对某型号离心水泵在5000 次冷热冲击耐久试验后叶轮边缘发生汽蚀的现状，基于计算流体动力学（CFD）分析方法对泵进行CFD 分析，分析汽蚀产生的原因，确定汽蚀产生的位置，并对结构进行优化，为实际水泵性能提高提供指导。

一、前言

离心式水泵工作时，常出现流体机械特有的汽蚀现象。从本质上看，该汽蚀现象是一种流体力学的空化作用，与旋涡有关。它是指流体在运动过程中压力降至其临界压力（一般为饱和蒸汽压）之下时，局部地方的流体发生汽化，产生微小空泡团。该空泡团发育增大至一定程度后，在外部因素的影响（气体溶解、蒸汽凝结等）下溃灭而消失，在局部地方引发水锤作用，其应力可达到数千个大气压，显然这种作用具有破坏性。从宏观上看，汽蚀现象使得流道表面受到浸蚀破坏（一种持续的高频打击破坏），引发振动，产生噪音；在严重时出现断裂流动，形成流道阻塞，造成水泵性能的下降。因此，研究离心水泵的汽蚀问题对提高水泵性能具有重要的指导意义。

本文针对某型号离心水泵在5000 次冷热冲击耐久试验后叶轮边缘发生汽蚀的现状，基于计算流体动力学（CFD）分析方法对泵进行CFD 分析，分析汽蚀产生的原因，确定汽蚀产生的位置，并进行一定的结构优化，为实际水泵性能提高提供指导。

二、几何模型

本文以某型号离心冷却水泵为研究对象，利用CATIA软件生成三维几何模型， 其剖面图如图1 所示。通过HyperMesh 软件布尔运算提取内部计算流体区域，提取的水泵CFD 计算区域如图2 所示。

三、有限元计算模型及结果分析

有限元计算模型

本文利用Hypermesh 软件进行前处理，对图2 所示CFD 计算流体区域进行网格剖分，网格总数425 万左右。网格划分完成后通过msh 格式导入FLUENT 软件进行CFD分析。

1 水力损失法的研究

泵的损失分别为机械损失、容积损失和水力损失。由于泵中的流动比较复杂，到目前为止，还不能从理论上精确计算泵内的各种损失，尤其是水力损失的估算更加困难。目前估算损失的方法，主要有能量平衡试验和半理论半经验公式。各种损失的正确计算是准确预测泵性能的基础。

§2.1 滑移系数与理论扬程

2.1.1 滑移系数定义

目前研究流体机械通常都采用一元理论，即假设叶片无限多无限薄。但实际上叶轮叶片数是有限的。液体在有限叶片数叶轮和无限叶片数叶轮中的流动状态差别特别大。叶片无限多时叶轮内任意点的相对速度方向与该处的叶片表面切线方向一致，而有限叶片数时相对速度则会产生滑移，造成液体在出口处旋转不足，因此两种情况下叶轮的理论扬程也不相同。一般通过滑移系数来处理两者间的差值，关于滑移系数的定义主要有以下两种。

（1）斯托道拉 (Stodola)滑移系数

222uvuu (2-1)

Δvu2 — 叶片无限多和有限叶片数时出口速度圆周分量的差值

（2）普夫莱德尔公式(Pfleiderer)滑移系数

ttHH (2-2)

2.1.2 滑移系数公式

对离心泵而言，现有的理论扬程修正系数即滑移系数的公式非常多，但主要有下面四个公式[13 , 47]：

（1）斯托道拉公式(Stodola)

2sin1zs （2-3）

（2）威斯奈公式(Weisner) 2 7.02sin1zv （2-4）

（3）普夫莱德尔公式(Pfleiderer)

P11 式中2122222RRRzP，其中 )601(2a （2-5）

——文章来源网络，仅供个人学习参考 流体机械噪声及其控制

流体机械是指广泛应用于工矿企业的液压和气动系统。下面分别对液压和气动系统中的噪声源加以介绍。

1．1．液压系统噪声

液压系统由液压泵，液压缸或液压马达，各种控制压力、流量和流向的阀门以及油箱、管·等辅助元件组成。液压系统噪声源主要来自于液压泵、阀门和管·。

（1）液压泵噪声。液压泵是液压系统的动力源，它能产生两类噪声：流体动力性噪声和机械噪声。流体动力性噪声是由于液压泵工作时，连续出现动力压强脉冲，从而激发泵体、阀门和管道等部件振动而辐射的噪声。泵的机械噪声是由于泵体内传递压力的不平衡运动，形成部件间的冲撞力或摩擦力，从而引起结构振动而产生的声音。这种噪声不仅与泵的种类和结构有关，还与零件的加工精度、泵体的安装条件和维护保养等有关。

一般液压泵以螺旋泵噪声最小，离心泵和活塞泵次之，齿轮泵噪声较大。为消除和减弱泵的噪声，可选用高内阻材料制作泵体，如用铜锰合金代替铸钢制造的泵体，其噪声可降低10～15dB；还可以提高零件的加工精度、改善其安装条件、加强维护保养等。

（2）阀门噪声。具有节流或限压作用的阀门，是液体传输管道中影响最大的噪声源。当管道内流体流速足够高时，由于阀门的部分关闭，会在流体中形成气泡，气泡随压力的变化相继破裂，引起流体中无规则的压力波动，由此而产生的噪声叫空化噪声。

在流量大、压力高的管·中，几乎所有的节流阀门均能产生空化噪声，空化噪声频谱呈宽带，不但能沿管道顺流而下传播很远，它还能激发阀门或管道中可动部

——文章来源网络，仅供个人学习参考 件的固有振动，并通过这些部件作用于其它相邻部件传至管道表面，产生类似于金属相撞的有调噪声。

空化噪声的声功率与流速的七次方或八次方成正比。为了降低阀门噪声，可以采用多级串接阀门，逐级降低流速。

（3）管·噪声。管·噪声主要有以下几个来源：①流体流经管道时，由于湍流和摩擦激发的压强扰动产生涡流噪声；②若管·设计不当，会产生空化噪声；③泵体噪声和阀门噪声沿管体传播并透过管道壁面辐射出去，管道愈长愈粗，辐射愈强。