基于PumpLinx与ACTRAN的泵阀与运动机械噪声解决方案

（二）泵阀与运动机械噪声解决方案

2 . 泵阀与运动机械噪声解决方案

2.1 流动声学数值计算方法介绍

        对泵阀与运动机械的噪声研究必须综合计算声学与流体力学研究，在满足泵阀与运动机械等机械性能同时尽可能的降低其噪声。但是对于实际问题，声学分析与一般的流体力学分析存在两点差异：

（1）分析频率范围大

        人耳的可听声频率范围是20Hz~20KHz，因此声学计算的时间尺度一般是流体分析的指数量级，另外必须以极小的时间步计算相当长的时间。

（2）分析模型范围大

        声学计算域需要扩展到声音接收点位置，流体力学计算将面临很大挑战。

        考虑到声学分析与流体分析的差异，流动噪声分析目前主要有四种数值分析方法，如下表1所示。

表2-1 泵阀与运动机械噪声数值分析方法比较

        表2-1中可看出，直接CAA方法计算资源消耗非常大，难以分析工程上遇到的问题，目前仅作为理论研究方法。而方法4是一种经验性的方法，需要的计算资源少，但是求解问题的精确性不够，难以满足工程上噪声分析的要求。因此对于泵阀与运动机械噪声问题，较多采用中间两种方法。

2.2 仿真流程

        ACTRAN处理泵阀与运动机械噪声问题时，CFD计算与声学计算是解耦的，即首先进行CFD仿真，提取出湍流信息（速度、压强、温度、密度等项），然后再利用Lighthill或Möhring声类比方法分析声场。

        泵阀与运动机械模拟方案包含两步，第一步是采用PumpLinx模拟泵阀与运动机械工作过程的瞬态流场，第二步是基于CFD的计算结果来模拟泵阀与运动机械噪声传播的规律。

        对于声学分析中，只要满足每波长6-8网格的规则即可，使用积分法将流场信息加载到声学网格上，因此不需要对声源区的网格做特别的优化。ACTRAN支持绝大数CFD软件的计算结果，可以直接读取部分CFD的原始文件。不能直接读取的CFD计算结果，ACTRAN可以通过Ensight格式进行读取。

        基于PumpLinx的流场分析结果求解噪声，计算步骤如下：

（1）在PumpLinx中建立CFD分析模型，进行非定常流场计算（注意：必须保存每个载荷步下的计算结果），并以Ensight格式导出；

（2）建立ACTRAN声学分析模型，声学网格包括声源区、声传播区、无限元设置区域；

（3）将CFD基本量转换为声源（基于Lighthill或者Möhring声类比方法）；

（4）通过傅里叶转换，将声源的时域信号转换为频域信号（ACTRAN iCFD的DFT功能）；

（5）通过ACTRAN计算流动噪声的产生于传播；

（6）通过PLTVIEW导出预设场点声压频响函数；

（7）通过ACTRAN/VI查看整个计算区域的声场云图。

图2-1    泵阀与运动机械噪声分析步骤

2.3 软件介绍

2.3.1 PumpLinx软件介绍

2.3.1.1 公司介绍

        PumpLinx是Simerics公司的产品。Simerics是一家美国的动力学软件/咨询公司，总部位于美国阿拉巴马州亨茨威尔市，它的使命是通过高效率、高精度的CFD仿真工具来支持您公司的研发。Simerics的团队由科学家和工程师构成，他们的核心成员早在1980年就是CFD软件开发和应用方面的先驱者。将他们的知识和经验与先进的计算物理、计算几何和软件工程相结合，给我们的客户提供了新一代的仿真工具。Simerics在CFD软件开发上坚持走面向企业用户的专业化道路，在CFD软件竞争最激烈的航空及汽车工业迅速打开市场。

2.3.1.2 PumpLinx技术优势

        PumpLinx是一个独特的CFD工具，它可以帮助工程师更好的设计泵类元件。与其它的通用CFD仿真软件相比，PumpLinx具有以下优点：专业的泵模板、高效的网格生成器、稳健而精确的汽蚀模型、高效地求解器及精确的计算结果等。

（1）PumpLinx专业的泵、阀模板

        PumpLinx具备泵、阀专业模版，快速完成设置。模版将泵、阀CFD模拟的流程和规范内置到PumpLinx软件中，泵、阀的模版使CFD模拟的设置简单化，同时保证了计算结果的可靠性。

        PumpLinx可以求解比其它商用软件更多类型的泵、阀，PumpLinx当前包含以下泵、阀设计模版：

图2-2 各种类型的泵、阀模板

（2）PumpLinx高效的求解器

        快速设置及计算：对于不同的泵配置，如离心泵或转子泵，已经通过可定制模块预编程到PumpLinx之内，几分钟之内就可以完成设置。至于计算速度，PumpLinx将最新的数值技术与Simerics的专有算法相结合，建立了一个比其它竞争对手更快速、更稳健的数值模拟工具。在泵类应用方面，PumpLinx通常比其它CFD代码快5倍。

（3） PumpLinx独特的专有网格技术

        PumpLinx包括一个自动化的网格生成器，它可以便利的生成CFD求解器可以高效求解的高质量网格。这个网格生成器采用专有的几何等角自适应二元树（Geometry Conformal Adaptive Binary Tree）算法，既CAB算法。CAB算法在由封闭表面构成的体域内生成笛卡尔网格。在靠近几何边界，CAB自动调整网格来适应几何曲面和几何边界线。为了适应关键性的几何特征，CAB通过不断的分裂网格来自动的调整网格大小，这是利用最小的网格分辨细节特征的最有效方法。除此之外，PumpLinx也提供了一个自动化的结构化网格生成器，专门生成像泵转子这样的网格。

图2-3 笛卡尔网格

PumpLinx的技术特点如下：

        高度自动化的网格生成及动网格模板：PumpLinx自动化网格生成能力能够使用户通过简单的两到三步快速的创建网格。通过二元细化和自适应技术来建立高效、高分辨率的网格，即使尺度差异悬殊的复杂几何也是如此。对于不同类型的转子泵，PumpLinx提供了专门针对泵转子部件的动网格模板，用户可在几十秒内完成转子区域结构网格的划分，大大提高了工程师的工作效率。

                   图2-4 PumpLinx笛卡尔网格技术                           图2-5 PumpLinx结构化网格模板

        精确的表达原始几何：创建与曲面形状相匹配的网格，可以保证准确表达重要几何特征。CAB也可以自动的增加网格密度来更好的分辨几何特征，用户可以直接设置曲面的网格密度来直接控制网格质量。

        高质量/高效率的网格：CAB通常生成更适合于高精度算法的笛卡尔六面体网格。对于同样的精度水平，与四面体网格相比数量更少。

        能够容忍“烂”几何：许多CAD曲面并不是完全贴合。它们也许有小缝隙，或者是没有专门缝合在一起。如果几何包含这样的“烂”特征，许多网格生成算法会失败，因此在生成之前，几何必须清理干净。CAB算法在一定程度上可以容忍“烂”几何。对于多数情况，CAB基于“烂”几何可以生成合理的网格，而精度损失是可以忽略的，从而获得由意义的模拟结果。

        高度自动化的网格生成：Simerics最新发布的PumpLinx V2.6的自动化网格生成能力能够使用户通过简单的两到三步快速的创建网格。通过二元细化和自适应技术来建立高效、高分辨率的网格，即使尺度差异悬殊的复杂几何也是如此。泵模版提供了针对专门泵部件的网格生成工具。

（4）PumpLinx专业的空化与汽蚀模型

        PumpLinx拥有工业界独一无二的空化（汽蚀）模型，该模型基于A shok.Singhal 和Jiang Yu等人提出的全空化模型，全空化模型是基于两相流的模型思想，引入了混合密度的概念，并综合考虑了液体的可压缩性、液体汽化、非凝结气体的影响以及蒸汽的蒸发和凝结过程，模型用Rayleigh-plesset方程求解气泡变化的动态过程。空化模型经历了真实应用的测试和验证。

        PumpLinx全空化模型的特别之处在于对特别困难的问题，在其它软件都失败的情况下，PumpLinx依然可以收敛。除此之外，该空化模型不但能准确地预测汽蚀对效率的影响，还可以准确地预测汽蚀损害可能发生的位置。对于燃油泵来说，受运行条件影响，其空化效应不可忽略，PumpLinx对泵内汽蚀损害位置的预测能力对于许多问题都是很重要的。

（5）计算结果的可靠性

        PumpLinx可以精确模拟包括螺旋桨、喷水推进器、泵和其它流体机械在内的流动问题，以及包含蒸汽和不相溶气体的复杂问题。PumpLinx的空化模型已经被大量的工程题目所验证，对于许多应用，这一重要特征在其它CFD软件里是没有的。如下图为不同流体机械汽蚀损害区域模拟与试验的对比情况。

图2-6  PumpLinx汽蚀损害模拟区域与试验的对比

2.3.2 ACTRAN软件介绍

        ACTRAN是著名的声学软件提供商——比利时FFT公司的旗舰产品。基于FFT公司对传统有限元和无限元技术的革新，ACTRAN提供了当今最完备的声学解决方案，它已经覆盖了声学、振动声学、流动声学的所有方面。

        FFT公司作为计算声学解决方案的领先供应商，针对各种不同的问题定制了一系列专业化的模拟工具，确保所提供的解决方案能满足不同的声学设计需要。

2.3.2.1高效率的声辐射和声传播模拟软件——ACTRAN Acoustics

        ACTRAN Acoustics是软件基础模块，具备基础声学分析功能，ACTRAN软件系列的基础，它既可以单独使用，又是其它高级工具ACTRAN Aero-Acoustics、ACTRAN TM、ACTRAN DGM要求配置的基础软件。

        ACTRAN Acoustics包含了许多排他性声学模拟能力，既可以模拟简单的部件，也可以模拟复杂的系统。ACTRAN Acoustics的声学模拟能力得益于FFT公司具有排他性、高鲁棒性、高效率的声学有限元和无限元库及求解技术。

        ACTRAN Acoustics同时提供模态方法和物理方法，因而可以轻而易举的分析空腔中的声场。吸音壁面可以用阻抗边界条件和多孔材料模型加以详细模拟。

        对非均质流动和温度梯度效应的处理是ACTRAN Acoustics的重要特色之一。除此之外，还包含了处理粘热效应的特殊单元，这对声波在窄通道和薄空腔中的传播特别重要，典型的应用如助听器、声纳阵面板等。ACTRAN Acoustics能够研究飞机乘客舱、驾驶舱及管道系统等声传播，获得内部声场。

        ACTRAN Acoustics的典型应用：涡轮机械、环控系统、乘客舱、管道系统、传动系、发动机部件（油底壳、进气岐管、空气过滤器、阀盖）、发动机系统、压缩机、电机、扬声器及听觉设备等。

图2-7  ACTRAN/ACOUSTICS典型应用

2.3.2.2高级振动声学模拟软件——ATRAN Vibro-Acoustics

        ACTRAN Vibro-Acoustics是当今最完备的振动声学模拟软件。ACTRAN Vibro-Acoustics建立于ACTRAN Acoustics之上，ACTRAN Vibro-Acoustics提供丰富单元库、材料库、边界条件和激励类型、求解方法和求解器，因而被要求最为严格的工程师和研究人员用来模拟当今最有挑战性的振动声学设计问题。

        可以在ACTRAN中利用它丰富的材料库建立结构模型。事实上，ACTRAN不仅提供表达声学和粘弹性介质等常规材料，而且还包含许多特殊模型，用于表达多孔和不可压缩性介质、复合材料以及主动单元部件（包括压电陶瓷）。所有的材料可以结合在一个模型中，这样就可以取得最真实的结果。

        可以选择在物理坐标和模态坐标下的求解声振耦合模型或非耦合模型，既可以在频域求解频率响应函数，也可以在时域求解结构的瞬态响应。高效率的线性方程求解器和并行处理能力可以使您在声学设计时求解工业规模的问题。

图2-8  ACTRAN/VIBRO-ACOUSTICS典型应用

2.3.2.3系统级装饰件噪声模拟工具——ACTRAN for NASTRAN

        ACTRAN for NASTRAN是结合了ACTRAN和NASTRAN所有技术优势的高级振动声学软件，它建立在功能强大ACTRAN Vibro-Acoustics和NASTRAN之上，二者不是通过接口，而是将NASTRAN融入到ACTRAN的血液之中，这样就可以在声学分析时利用NASTRAN的超单元特性。

        ACTRAN for NASTRAN给CAE工程师将提供了将两种最最好的技术——ACTRAN的物理模型和NASTRAN的模态模型结合在一起方法。ACTRAN for NASTRAN使模拟包含所有装饰件的整车成为可能。

图2-9 ACTRAN for NASTRRAN典型应用

2.3.2.4流动噪声模拟软件——ACTRAN Aero-Acoustics

        ACTRAN Aero-Acoustics是预测气动噪声的声学有限元软件，ACTRAN Aero-Acoustics从商业CFD程序如Fluent、Star-CD、StarCCM+、Powerflow、Ensight的模拟结果获取流动声源。

        完整的模拟过程包含以下五步，如下：

（1）利用CFD程序完成非定常流动模拟。

（2）将每一个时间步CFD的解（速度、密度、压力场）存储为CFD程序自身的格式或通用的Ensight格式。

（3）ACTRAN Aero-Acoustics根据第一步的CFD的结果计算流动噪声源。这包括将流场结果按照Lighthill声类比或Morhing声类比方法转换为声源，并从时域转化到频域。

（4）将噪声源从CFD网格插值到声学网格，并计算其传播，得到声压、声速和声强，以及各种局部量（压力）和全局（功率）的频率响应函数。

（5）在ACTRAN/VI中查看结果。

        多步方法将带来以下好处：

（1）每一部分工作由不同的工程师、部门分别完成；

（2）同一CFD模拟结果可以用于不同的声学模型；

（3）声学网格不必像CFD网格那样在流动结构很小的区域细化。

        声辐射和传播计算。得到声压、声速和声强，以及各种局部量（压力）和全局（功率）的频率响应函数。ACTRAN Aero-Acoustics模块，支持气动声学分析，研究环控系统、APU等气动噪声的模拟。

        ACTRAN Aero-Acoustics的典型应用：APU、环控系统、管道系统噪声、排气系统、通风系统、舰船螺旋桨噪声、空调系统、后视镜噪声、水动力噪声、汽车风噪声等。

2.3.2.5旋转机械噪声模拟软件——ACTRAN TM

        ACTRAN TM是分析旋转机械及管道辐射噪声的分析工具。ACTRAN TM提供了涡轮机械噪声分析所需要的所有高级模拟功能。ACTRAN TM具有以下独有的技术优势：

        准确捕捉非均质流的对流和折射效应，既可以用ACTRAN计算非均质背景流动，也可以从其它CFD仿真程序导入；

（1）利用ACTRAN TM中的Myers边界条件，声衬的影响被精确统计；

（2）可以用入射管道模态来定义声源，或者根据一组平面的压力脉取声源，压力脉动来自CFD的瞬态计算结果。

        声学CAE的挑战之一就是处理大马赫数、大几何尺寸、形状复杂的大模型， ACTRAN TM具有包含高级并行处理能力在内的高效率求解技术，只有ACTRAN TM才可以应对这些挑战。

        ACTRAN TM的典型应用：涡轮机械、发动机噪声、发动机短舱、管道式冷却系统、鼓风机系统。

图2-10 ACTRAN/TM典型应用

2.3.2.6发动机排气噪声模拟软件——ACTRAN DGM

        ACTRAN DGM是对ACTRAN TM的最好补充，它可以求解比ACTRAN TM更高的马赫数和更高的频率，使ACTRAN DGM成为模拟发动机排气等喷流噪声的排他性工具。

        ACTRAN DGM使用非连续伽辽金法求解线性化的欧拉方程，能够预测在复杂物理条件下噪声传播，这使ACTRAN DGM具有非常优异的并行加速比，因而ACTRAN DGM可以求解非常大的工程问题。它特别适合于求解具有二级空气系统的发动机气动声学问题，它精确统计了强剪切流、大温度梯度的声传播效应，ACTRAN DGM模拟排气噪声需要的所有边界条件：表达声源的管道模态激励、无反射边界条件、声衬边界条件。

        ACTRAN DGM的典型应用：涡轮排气噪声、大型涡轮进气噪声、所有涉及非均质平均流动效应的声传播问题。

图2-11  ACTRAN/DGM典型应用

2.3.2.7功能强大的前后处理工具——ACTRAN VI

        ACTRAN VI是专业声学前后处理软件，它可以完成分析任务的生成、编辑等前处理任务。ACTRAN VI除了具有云图、矢量图、数据报告等通用后处理功能外，还具有瀑布图、多工况曲线图等后处理能力，满足声学分析对后处理的特殊要求。支持以动画的形式展示结果，通过设置的场点，可以描绘出声学指向性曲线，指向性曲线可以快速找到发动机声音辐射较大的方向位置，方便找出声源。还需满足将场点、节点的频谱曲线结果转换为声音文件，让使用者聆听通过仿真预测到的声音。

图2-12  ACTRAN/VI