离心泵作透平水动力噪声特性研究

为研究离心泵作透平在水动力载荷激励作用下的噪声特性,以某单级离心泵反转作透平为研究对象,基于雷诺时均法获得透平内部非定常流场,进而运用直接边界元法求解叶轮和壳体壁面偶极子源引致的噪声,并借助水听器对透平出口水动力噪声进行试验测量.在对计算获得的水动力噪声试验验证的基础上,对比了各过流部件压力脉动特性以及不同性质噪声源的辐射声压特性.研究结果表明,450Hz以内的低频段内,壳体声源作用的水动力噪声能够体现多声源的共同作用,最优和大流量工况下计算与试验频谱曲线吻合较好,叶频及其倍频下平均误差仅为4.35%.蜗壳内压力脉动主频为叶频,叶轮流道内除次主频叶频外存在1个主频轴频,进水管和尾水管内压力脉动主要为蜗壳内压力脉动传播所致,而叶轮内部形成的低频压力脉动传播现象不明显.轴频处,叶轮旋转偶极子作用下的声压较强;而在叶频及其倍频处,壳体偶极子是主要声源.     

多场载荷作用下舵面蒙皮响应分析

试验研究表明,导弹舵面在工作环境中承受严酷的气动力载荷、气动热载荷和噪声载荷。多种载荷相互影响使舵面产生剧烈振动,严重影响打击精度;甚至导致蒙皮开裂引起疲劳失效。以某型号导弹C/SiC复合材料舵面蒙皮为研究对象,基于WORKBENCH/VA-ONE程序平台,将自定义函数(UDF)建立的热流固耦有限元控制方程和边界元声场控制方程相结合,推导出改进的耦合边界元/有限元法(BEM/FEM)计算模型。通过此方法数值模拟导弹真实飞行环境,计算出了蒙皮表面危险点位置和不同飞行环境下响应特性;结果表明,通过改进的耦合BEM/FEM计算模型,能够较准确地反应导弹在真实飞行环境下舵面蒙皮响应特性随环境变化特征,为导弹舵面可靠性设计提供了一种有效的数值计算方法。     

基于FEM/BEM的燃料电池轿车结构声预测和控制

采用有限元(FEM)和边界元(BEM)联合的方法对燃料电池轿车车内结构声进行预测和控制研究,提出了基于FEM/BEM的车内结构声分析方法和流程,建立了车身有限元模型和声学边界元模型,施加实测的激振力计算声学响应,通过试验数据验证了仿真模型,并进行误差分析.提出板件声学贡献分析的指导原则,介绍板件贡献分析原理和方法,进行所关注频率的车身板件声学贡献分析.最后根据分析结果对车身板件采取约束阻尼处理等控制措施,通过虚拟验证改进结果,车内低频噪声明显降低,其中后座椅和前地板改进最明显,证明所提出方法的可行性,达到优化燃料电池轿车车内噪声的目的.     

声表面波器件的快速精确模拟

该文提出了声表面波器件有限元/边界元（Finite Element Method/Boundary Element Method,FEM/BEM）模拟的快速计算方法.FEM/BEM方法作为一种全波分析方法,考虑了所有声波模式,能实现对声表面波器件的精确模拟,但FEM/BEM方法一般计算量大而难以实用,国内外已有工作围绕提高FEM/BEM法的计算速度展开.本文将在Ventura工作的基础上,优化占主要计算量的体波贡献.首先对固定的半无限长压电基片的格林函数用分段多项式函数近似,以避免复杂格林函数的反复计算,然后推导出近似后的积分之间的递推关系式,编写递推算法,并通过实例验证了递推算法能达到精度要求且提高了计算速度.最后采用优化后的FEM/BEM程序对一种纵向耦合（Double Mode Saw,DMS）滤波器进行模拟,模拟结果与实验结果吻合.     

轴承力作用下船舶尾部声振特性研究

利用有限元(FEM)/边界元法(BEM),建立了桨-轴-船尾部结构耦合振动模型,以实效伴流场下的螺旋桨轴承力作为激励源,分析了螺旋桨不同方向轴承力对尾部结构声振特性的影响.研究结果表明:在螺旋桨轴承力的作用下,船体结构振动响应峰值与螺旋桨倍叶频(BPF)或尾部结构固有频率相近;尾部结构水下辐射噪声特性随频率变化明显,当频率较低时,尾部结构的辐射噪声沿船长的分布相对均匀;随着频率升高,尾部结构的局部声辐射特性增强;水平力为引起船体结构振动并向外辐射噪声的主要分量.     

泵反转液力透平速度滑移的计算与分析

针对离心泵反转液力透平(PAT),采用RNGk-ε湍流数值模拟分析了泵工况(正转)与透平工况(反转)的速度滑移特性,揭示了滑移系数的变化规律,提出了考虑滑移系数时计算PAT泵工况与透平工况扬程换算关系的新方法.结果表明:随着流量增加,泵工况滑移系数增大,透平工况滑移系数减小.速度滑移引起叶轮内的附加水力损失,透平工况流量大于额定流量时,其滑移系数小,叶轮内附加水力损失小,这是液力透平大流量时效率高的原因之一.采用PAT换算关系新方法计算了不同比转速下的6个PAT算例的扬程换算值,并将结果与未考虑滑移系数的方法比较,经实验验证该方法的平均误差约减小5%~20%.     

变工况下离心泵蜗舌处压力波动的试验研究

对某一离心泵在变流量工况下蜗舌处的压力波动进行了实验测试与分析。该离心泵的叶轮由原叶轮车削而成,具有5个主叶片和5个背片。性能测试结果表明,随着流量增大,离心泵的压头下降而效率增加,但实验最大流量工况并未达到高效点,而较大的蜗舌间隙使得该离心泵的总体性能低。在压力波动方面,蜗舌处的压力波动以离散频率分量为主,特别是叶频(BPF)分量,而四倍叶频以上的压力波动幅度已很小。由于离心泵运行在小流量工况下,蜗舌处流动扰动及分离主要发生在蜗舌内侧,因此蜗舌内侧的压力波动幅度大于外侧。研究结果可为离心泵的降噪提供参考。     

离心泵作透平倾斜叶片主动降噪

为降低离心泵作透平流体诱发的内外场噪声,从同相位脉动水动力作用面积与辐射噪声的关系出发,建立了叶片倾斜角度关系式,提出了在保证性能前提下倾斜叶片的主动控制降噪方法.利用透平实验平台,对2组不同倾斜角度的透平进行了水力性能、内场噪声实验;在验证壳体有限元模型的基础上,基于有限元/自动匹配层进行了外场噪声数值研究.结果表明:倾斜叶片可以保持离心泵作透平的原有水力性能,大流量工况效率最高增加1.09个百分点;同时能够降低整体频段的总声能,内场总声压级降低0.07%~3.02%,外场总声功率级大流量工况降幅最大,降低约11.97%;内外场主要频率处的声压级也得到了不同程度的降低.     

摩托车发动机壳体噪声辐射数值分析

采用有限元/边界元法(FEM/BEM),对摩托车发动机壳体进行模态分析,将试验模态与计算模态进行对比,两者的吻合程度较高,表明所建立的有限元模型的正确性;对壳体进行频率响应分析及结构噪声辐射的仿真分析,并对发动机壳体的噪声辐射进行预测,得到其结构外部声场特性,将预测结果与试验结果在各频带下进行对比分析,其吻合程度较高,表明该方法是有效的。     

离心泵做透平的叶片弯曲形状分析

为提高液力透平的效率,设计了前弯和后弯2种叶片弯曲形式的叶轮,利用实验、理论和数值计算相结合的方法对离心泵做透平的水力性能进行了研究.分别对后弯式叶轮泵工况、透平工况和前弯式叶轮液力透平工况3种情况的水力性能进行了分析,得到泵工况和2种液力透平工况下外特性曲线的差别,并分析了液力透平各过流部件内部功率损失分布.研究结果表明:泵作透平的外特性曲线与泵的不同,Q-H曲线随流量增加而逐渐增加;2种叶轮形式的液力透平对比中,前弯形叶轮在最高效率点的流量、扬程、轴功率和效率分别比后弯形叶轮高;前弯形叶轮高效点以及高效点之后的流量效率曲线高于后弯形叶轮的流量效率曲线,流量扬程曲线低于后弯形叶轮的流量扬程曲线,2种形式的叶轮轴功率相差不大.液力透平各过流部件功率损失分布表明,前弯形叶轮内部的功率损失的减小是液力透平效率提高的主要原因;对比2种叶片弯曲形状液力透平的流量和扬程系数可知,前弯式叶轮的流量系数和扬程系数均大于同尺寸后弯式叶轮的,因此前弯叶轮更适合于液力透平工况运行.     

螺旋离心泵

概括地介绍了目前国内外螺旋离心泵的研究状况,在泵的内部流动及性能方面介绍了设计工况下泵内流场的三元非粘性有限元和边界元计算结果,同时给出了设计工况和小流量工况下用油点法得到的叶轮表面的可视化照片,以及气泡和固体颗粒在叶轮内运动轨迹的计算结果,最后还介绍了泵的结构参数对泵性能的影响。     

泵作透平尾水管压力脉动特性分析与试验

为研究泵作透平尾水管压力脉动特性及内部流动机理,采用试验与雷诺时均非定常数值计算相结合的方法,对尾水管内部压力脉动及其上游过流部件对其内部流动特征的影响进行分析,得到不同位置监测点处的压力脉动特征。研究结果表明:蜗壳内压力脉动主频为叶片通过频率,动静干涉作用是引起透平蜗壳内压力脉动的主要原因;由于上游蜗壳内产生的压力脉动传播到叶轮导致叶轮流道内除主频轴频外还存在1个次主频叶频;小流量时尾水管中心区域出现回流现象,但是随着流量的继续增加回流现象逐渐消失;透平尾水管内压力脉动主要为上游蜗壳内压力脉动传播所致,动静干涉作用是其产生的主要原因;随着流量的增加,透平内部压力脉动主频幅值增加,且大流量工况下达到最大值。     

长短叶片对射流式自吸离心泵性能的影响

为了提高射流式自吸离心泵性能,以1台比转数为34的射流式自吸离心泵为研究对象,从试验与数值计算2个方面对比分析6叶片(6个长叶片)与8叶片(4个长叶片和4个短叶片)在2种条件下模型泵的外特性及噪声特性的变化规律。基于试验泵测试系统以及数据采集系统建立实验平台,实现射流式自吸泵性能参数以及内声场噪声的同步采集。研究结果表明:额定工况下优化模型的扬程较原模型提高12.6%,效率提高0.8%;射流泵内部水动力噪声降低1.6%,外场流动噪声降低2%左右。     

2种形式的液力透平叶轮外特性

为了提高液力透平的效率,设计前弯和后弯2种形式的叶轮,通过理论分析、数值计算以及实验研究的方法对其进行分析。应用流场分析软件ANSYS CFX分别对具有2种形式叶轮的液力透平进行全流场数值计算与分析,得到2种液力透平外特性曲线的差别,并分析2种液力透平叶轮内部流场流动规律。研究结果表明:前弯形叶轮在最高效率点的流量、扬程、轴功率和效率分别比后弯形叶轮高24.45%,29.80%,68.95%和4.38%;前弯形叶轮高效点以及高效点之后的流量效率(η-Q)曲线高于后弯形叶轮的流量效率曲线,流量扬程(H-Q)曲线低于后弯形叶轮的流量扬程曲线,2种形式的叶轮轴功率相差不大;前弯形叶片叶轮内部速度梯度小于后弯形叶片叶轮的内部速度梯度,前弯形叶片叶轮内部水力损失较少;实验结果与数值预测结果相吻合,验证了数值计算可以用来对液力透平进行优化设计。     

热声旋转发电的数值与实验研究

介绍了一种可用于热声发电的新型旋转机械式声-电转换方式,并针对其中的双向透平开展了数值与实验研究。采用稳定来流与可压缩交变来流相结合的方式,优化设计了一套百瓦级定导流叶片的双向冲击式透平结构,并完成了其在常压下稳定来流工况的输出特性测试,考察了定转速与定负载输出特性变化。实验获得透平最大输出功率为230 W,最大效率为51%(转速4 000 r/min,对应输出功率83 W,流量系数1.9)。将实验与数值计算进行了对比分析,结果表明:二维计算由于未计入叶片旋转速度径向差异以及叶顶泄漏的影响,定量上与实验值存在明显差异,但对系统性能的预测仍具有指导意义。采用三维模型给出了交变流动下的透平性能预测,计算结果与实验结果符合良好。此项工作可为进一步优化与分析交变流动下的双向透平提供指导。     

叶片进口边位置对船用离心泵性能的影响——数值模拟与试验

为了研究叶片进口位置对船用离心泵内部流动和性能的影响。针对一国内生产的NSL125-415/A02型船用离心泵,在不改变原始叶轮设计的基础上,运用泵与旋转机械专业设计工具CFturbo分别将叶片进口边两次前移和两次后移,设计了四种新的叶型。然后采用全黏性三维湍流数学模型数值模拟计算了5组(包括原型泵)不同工况下的船用离心泵内流场,对比了不同位置叶片进口边对船用泵流量-扬程、流量-效率等外特性曲线以及叶轮内部流场在不同工况下的流动分布,并且将原型泵数值计算结果与试验进行了比对。结果表明:适当将叶片进口边位置向叶轮轮毂处偏移,可以相对改善叶轮内部流场分布情况,降低叶轮出口位置附近湍动能强度;在一定范围内,随着叶片进口边位置向轮毂处偏移,船用离心泵扬程有所提高,整体效率略有增加,且高效区域面积变大;通过与试验对比,运用数值计算方法来预测船用离心泵内部复杂三维流动是可行的。     

叶片进口边位置对船用离心泵性能数值模拟与试验对比

为了研究叶片进口位置对船用离心泵内部流动和性能的影响。针对一国内生产的NSL125-415/A02型船用离心泵,在不改变原始叶轮设计的基础上,运用泵与旋转机械专业设计工具CFturbo分别将叶片进口边两次前移和两次后移,设计了四种新的叶型。然后采用全粘性三维湍流数学模型数值模拟计算了5组(包括原型泵)不同工况下的船用离心泵内流场,对比了不同位置叶片进口边对船用泵流量-扬程、流量-效率等外特性曲线以及叶轮内部流场在不同工况下的流动分布,并且将原型泵数值计算结果与试验进行了比对。结果表明：适当将叶片进口边位置向叶轮轮毂处偏移,可以相对改善叶轮内部流场分布情况,降低叶轮出口位置附近湍动能强度;在一定范围内,随着叶片进口边位置向轮毂处偏移,船用离心泵扬程有所提高,整体效率略有增加,且高效区域面积变大;通过与试验对比,运用数值计算方法来预测船用离心泵内部复杂三维流动是可行的。     

电动螺旋桨飞机舱内噪声特性分析及优化

电动螺旋桨飞机运行中机舱内噪声,严重影响驾驶员和乘客乘坐的舒适性,因而对其舱内噪声特性研究十分必要。本文以某型电动螺旋桨飞机为研究对象,对其运用大涡模拟计算螺旋桨旋转产生的气动噪声并将其作为舱内噪声的边界条件,采用FEM、BEM耦合理论得到封闭声腔下舱内声振耦合声场分布,通过试验场点与数值场点来对比验证。研究表明,随着螺旋桨转速升高,在飞机的头部和尾部处声压级较高,舱内场点总声压级试验结果与数值计算结果非常吻合,在飞机巡航时人耳处总声压级最大误差为3.6%。以人耳处A计权为目标值,通过响应面法优化飞机舱内噪声,建立了人耳处总声压级(计权A)与各个试验因素(材料、厚度、面积)之间二次方模型,结果显示人耳处总声压级(计权A)降低了12dB。证明了计算电动螺旋桨飞机舱内噪声方法的准确性,为舱内噪声优化提供了一种简单有效的方法。     

流体激励下多级离心泵辐射噪声特性研究

为研究多级离心泵运行时产生的外场噪声,以一台五级导叶式离心泵为研究对象,研究了流体激励下泵的辐射噪声特性.通过外场噪声试验结果与计算结果之间的对比,验证了多级离心泵辐射噪声数值预测方法的有效性.提取泵全级数流体表面偶极子声源,并基于声振耦合方法计算了泵外场噪声.研究结果表明:泵外场噪声声压水平约为75~85dB,随着流量增大,噪声水平先减小再增大;流量变化对辐射声功率谱上特征频率处水平影响不明显,对宽频带影响较大;在大流量工况下,叶轮及正导叶叶片数对辐射噪声影响明显,反导叶叶片数影响较小;BPF2频率处声压水平比BPF1处高约11~20dB;在BPF2处辐射声压分布中0.4Qd工况下,上游噪声强于下游,随流量增大,噪声最大值区域向出口附近转移.     

用FEM-BEM法预测箱型振动构件的声场辐射

以Helmholtz积分法为基础,应用有限元(FEM)和边界元(BEM)相结合的方法预测振动构件的辐射声场,推导出适合于计算机应用的预测公式,该预测公式结合补充方程对任意的频率都有效.对箱型结构的振动辐射声场进行了预测和实测,实测结果表明,该预测方法是有效的.