基于PumpLinx与ACTRAN的泵阀与运动机械噪声解决方案

（三）PumpLinx与ACTRAN联合仿真案例

3 . PumpLinx与ACTRAN联合仿真案例

3.1 离心泵噪声研究案例

（1）离心泵振动与噪声研究的必要性

        离心泵作为通用机械在工农业生产及日常生活中具有广泛的应用，提高其设计效率、降低其运行振动与噪声具有很大现实意义。水泵振动与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。

        本文以某离心式水泵为实际对象，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。

（2）ACTRAN仿真模拟

        建立如下所示的有限元分析模型。

图3-1 离心泵声学网格模型

        离心泵内部流体域与蜗壳材料参数如下表所示。

表3-1材料参数

        离心泵辐射噪声分析，ACTRAN计算步骤如下所示：

1）基于PumpLinx软件建立CFD分析模型，利用两方程方法进行非定常流场计算；

2）保存流场结果，例如压强、密度、流速等；

3）建立ACTRAN声学分析模型，包含蜗壳内部水域、蜗壳结构、外部空气域。将流场信息转换为声源项，并用积分法插值入水域网格；

4）执行傅里叶转换，将时域信号转换为频域；

5）ACTRAN计算水动力对振动和声音的影响，导出预设场点的声场云图和振动频响函数；

6）ACTRAN/VI查看结果。

图3-2 离心泵振动与噪声的计算流程

        利用GREEN分析，可以得到壳体不同部位对监测点噪声的贡献度。

图3-3 GREEN分析模型

图3-4 4800HZ蜗壳噪声贡献度云图

3.2 螺旋桨案例分析

3.2.1 螺旋桨几何模型

螺旋桨几何模型如下图所示。

图3-5 螺旋桨几何模型

3.2.2 利用PumpLinx进行CFD计算

1）CFD网格可以在PumpLinx中进行，也可以利用Hypermesh进行网格CFD网格划分，并以CDB格式导入PumpLinx中，在HM中划分的CFD网格如下图

图3-6 螺旋桨CFD网格模型

2）从HM中导出到PumpLinx软件的CDB网格示意图

图3-7 导入到PumpLinx的螺旋桨网格模型

3）在PumpLinx中完成计算方法、边界条件设置等操作，并进行非定常计算。在Model模块下点击“Common”，然后在Properties窗口下将非定常计算结果以Ensight格式导出，如下图所示：

图3-8 PumpLinx导出Ensight结果文件设置

从PumpLinx导出的Ensight格式结果文件如下所示（以5个时间步的结果文件为例）：

图3-9  PumpLinx导出的Ensight格式输出文件类型

3.2.3 利用ACTRAN进行声学计算

1)声学网格模型

        建立声学分析模型，将PumpLinx计算的结果插值入ACTRAN模型中，作为Lighthill面源与体源。

图3-10 螺旋桨声学网格模型

2)声源提取

        在定义ICFD分析文件时，在Input driver中选择ENSIGHTGOLD格式，将流场信息转换为声源项，并用积分法插值入声学网格；如下图所示。

图3-11 时域声源提取示意图

        执行傅里叶转换，将时域信号转换为频域，设置如下图所示；

图3-12 时域声源转频域声源示意图

3)声传播计算

        在声传播网格域中设置声学组件及无限元组件及面声源、体声源边界条件，并设置场点输出和计算域云图输出，如下所示。

图3-13 声传播定义示意图

4)计算结果

        ACTRAN计算完成后，可以查看声压级分布云图以及特征场点频谱响应结果。 

        1)时域面声源、体声源结果

        ACTRAN计算完成可以提取计算域内云图分布，如下图所示。

图3-14 时域声源示意图

        2）频域面声源、体声源结果

图3-15 频域声源示意图

        3）声传播计算结果

图3-16 声场云图

        4）监测点声压频谱

图3-17 某场点声压级频谱曲线

3.3 风扇、风机噪声案例

        风扇噪声主要是空气动力噪声，由旋转噪声、涡流噪声组成。

        1）旋转噪声：是由于旋转叶片周期性地切割空气，引起空气周期性压力脉动而产生的。该噪声主要与风扇转速、叶片数和夹角等因素有关，它是窄带噪声，在叶片通过频率和其谐波频率能量叠加时表现为节拍声。

        2）涡流噪声：由于风扇旋转时使周围的空气产生涡流，这些涡流又因粘滞力的作用分裂成一系列独立的小涡流，这些涡流和涡流的分裂会使空气发生扰动，形成压力波动，从而激发出噪声。当该涡流引起的振动频率与叶片的固有频率接近时，产生共振，噪声增加，久而久之，风扇叶片极易折断。涡流噪声是宽频带噪声，主要取决于叶片形状和风扇的工作条件（即转速、流量和气流阻碍），如护风罩形状不当会引起共鸣，风扇与护风罩和散热器相对位置及风扇前后的障碍物等等都对其有影响。

        利用ACTRAN软件可以预测风扇噪声的产生、传播，了解其机理，便于噪声控制措施的选择。

图3-181风扇叶片形状                                    图3-19风扇噪声分布

        离心风机的工作原理与离心泵相仿，通过叶片的旋转，在离心力作用下使空气随叶片射出。

图3-20 离心2风机噪声分析

3.4 机油泵辐射噪声分析

        当传统柴油机的降噪接近瓶颈，很难有较大突破时，国际领先的柴油机制造商将目光转移到零部件上，纷纷提出机油泵的降噪要求。 

        柴油机油泵采用内9齿外10齿，工作转速1000rpm到6000rpm。油泵是薄壁结构、面积较大，易变形和辐射噪声。

图3-21 柴油机油泵齿轮

图3-22 3柴油机油泵辐射噪声