串列叶栅内涡激噪声的产生机理及其声学响应特性研究

The tandem cascade is the basic diffusion, diversion and working unit of multistage pump and other high-energy fluid machinery. With the development of multistage pump to the direction of high-head and wide-operating domain, not only was the tandem cascade internal flow losses control in the different conditions, but also a higher requirement is put forward on noise and vibration of fluid dynamics responses induced by its internal evolution of vortex, particularly the navy equipment in the field of national defense. The experiment and weakly coupled simulation of vortex-induced noise arising from the multipole source vortex in the tandem cascade vortex evolution is giving for the multi-stage pump tandem cascade based on Vortex dynamics and Powell theory of vortex sound. The coherent vortex structure is identified and the evolution process of the vortex parameters in the tandem cascades is analyzed with the large eddy simulation of unsteady flow field. The surface stress and fluctuating tensor are extracted from the vortex field and used for the acoustic source items of dipole and quadrupole respectively, basis on which, the acoustic radiation of inner and external fields are calculated by means of Lighthill acoustic analogy method and matched asymptotic expansions method. The corresponding frequency spectrums are analyzed based on the results of acoustic tests. The mapping relation between the dynamic behavior of vortex evolution in the tandem cascade of multistage pump and the characters of acoustic radiation is established. The research results will be provided for effective prediction and control of hydrodynamic noise for special-purpose tandem cascade.

串列叶栅是多级泵等高能流体机械做功、扩压和导流的基本单元。随着多级泵向高扬程、宽工况域的方向发展，对其内部涡旋演化产生的振动、噪音等涡动力学响应提出了更高要求，特别是海军装备领域。Powell 方程表明，在低马赫数时涡是唯一的声源，因此本项目以多级泵串列叶栅基本单元为研究对象，基于涡动力学和Powell涡声理论，对串列叶栅内涡旋演化产生的多极子源涡激噪声进行弱耦合数值计算和实验研究。通过非稳态涡流的大涡模拟，辨识串列叶栅内拟序涡的拓扑结构，解析涡动力学参数的时空分布，提取边界表面应力与涡诱导脉动张量作为涡声方程偶极子和四极子源的源项，分别应用Lighthill声学类比和渐进匹配展开法计算其内场和外场的声压分布，并进行相应的频谱分析和实验验证。在此基础上建立多级泵串列叶栅内涡动力学行为与声辐射之间的映射关系，为串列叶栅涡激噪声的有效预报和控制提供理论支持。

水力机械内部流动形态复杂，运行过程中常常伴随着强烈的噪声，随着环境保护标准的日益严格和人们生活品质的不断提高，用户对其声学性能也有了更高的要求。本项目采用理论分析、试验测试和数值模拟相结合的方法针对射流离心泵、导叶式离心泵、多级泵、螺旋混流泵等同时包含动叶片和静叶片的离心泵内部非定常流动与声学响应特性进行研究，研究成果主要包括以下几个方面：.1、流体动力噪声声压在时域的脉动周期与叶轮旋转周期一致，声压峰值主要表现在轴频、叶频及其低阶倍频处，除了轴频、叶频等特征频率处表现出明显的离散噪声外，在其他频段也呈现出不可忽视的宽带噪声。.2、叶轮和导叶之间的动静干涉、泵内流体和泵体结构的共振均是水力机械内、外场流体动力噪声的重要影响因素，过流部件自身的结构和材料属性对流体动力噪声有重要影响；动静叶栅内部流场的演化过程及流体动力噪声的频谱特性主要与叶轮及导叶叶片数有关，叶轮和导叶的其他结构参数只影响漩涡的强度大小及声压级的幅值，而不改变其基本规律。.3、采用本征正交分解(POD)法对叶轮域非定常流场脉动强度及其诱导噪声进行重构与预测研究。结果表明：基于样本的叶型参数、流场脉动强度场及流动诱导噪声的映射关系，重构目标叶型流场脉动强度场及流动诱导噪声相对误差较小。将Gappy POD方法作为代理模型对离心泵叶轮优化过程中流场脉动强度、噪声辐射水平预估，不仅可以明显减少计算量和计算时间，极大提高优化速度和效率，亦可在优化过程中为模型的噪声和振动等特性判断提供参考.4、非等距静叶栅可改善导叶式离心泵的水力性能，但对内声场频谱曲线轴频处的声压级影响有限，且水力性能的改善是以增加外界能量输入的为代价的；旋流泵无叶腔内的流场分布情况随流量变化有明显的差异；噪声总声压级大小与流量有关，沿声压级传播方向出现了间隔峰值的平面波特征，转频及其倍频是声传播的主要频段，无叶腔内的流致噪声在不同频率下的声压级大小具有明显的指向性。. 基于本项目的资助，在本领域知名期刊录用/发表学术论文20余篇，其中SCI论文14篇，EI论文6篇。培养博士生4名和硕士生8名，其中1名博士和6名硕士已完成学位论文答辩，其他几人计划2020年答辩。参加国内外学术交流43人次，超额完成了任务书各项指标。项目研究成果为离心泵的设计理论完善和工程应用提供了参考，为离心泵的“高效和安静”设计提供参考。