基于仿生沟槽结构的离心泵减阻降噪特性研究

作     者：郭超 

作者单位：江苏大学 

学位级别：硕士

导师姓名：董亮

授予年度：2022年

学科分类：12[管理学] 083002[工学-环境工程] 1204[管理学-公共管理] 120402[管理学-社会医学与卫生事业管理(可授管理学、医学学位)] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 080704[工学-流体机械及工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 0837[工学-安全科学与工程] 

主      题：离心泵 减阻降噪 仿生沟槽结构 优化设计 数值计算 

摘      要：设计研制高效低噪离心泵是新时代绿色生态发展的迫切需要。本文旨在掌握离心泵减阻降噪机理的基础上,基于仿生沟槽结构探寻一种离心泵减阻降噪优化设计方法。仿生沟槽结构类型多样,不同仿生沟槽结构对离心泵性能的影响有较大区别,探寻最佳类型的仿生沟槽结构并对其进行优化设计对协同提升离心泵水力性能和声学特性,节约能源、减小噪声污染具有重要意义。本文采用数值模拟和试验验证相结合的方法,围绕仿生沟槽模型设计、不同仿生沟槽结构对离心泵内部流场和声场的影响,以及仿生沟槽结构优化设计等进行了深入研究,旨在掌握仿生沟槽结构最优尺寸及仿生沟槽结构的减阻降噪机理。本文主要研究工作和成果如下:1.阐述了离心泵减阻降噪研究现状,概述了仿生结构在离心泵领域的应用,并对沟槽表面减阻降噪现状进行了系统的总结。2.搭建了离心泵闭式试验台,对离心泵不同工况下外特性、压力脉动、内场噪声进行试验研究,验证所建立的流场和声场数值计算方法,并对离心泵内流场进行了分析。结果表明:(1)模拟值扬程误差、效率误差均在5%以内,总声压级误差为1.81%,建立的流场和声场数值模拟方法计算精度较高。(2)叶片压力面出口处壁面剪应力较大,流体与叶片出口处摩擦阻力较大,为仿生结构的布置位置提供了参考。3.依据离心泵内部流体的流动特性,将仿生沟槽结构布置于叶片工作面靠近出口的1/3区域,开展Space-V型沟槽模型和V型沟槽模型流场分析,研究两种仿生沟槽结构对离心泵水力性能的影响规律,分析仿生沟槽结构减阻机理,并探寻减阻效果更优的仿生沟槽结构。结果表明:(1)仿生沟槽结构增加了叶片与流体的接触面积,改变了壁面剪应力的分布,使得叶片表面平均剪应力降低,同时仿生沟槽结构使叶轮流道内的速度变得更加均匀,并且可以降低叶片出口处的速度梯度,减小近壁面雷诺应力,从而减小摩擦阻力。(2)与光滑模型相比,布有仿生沟槽结构的离心泵的扬程和效率均有所提升,Space-V型沟槽模型对水力性能的提升效果更优,在额定流量下,Space-V型沟槽模型的减阻率为2.86%,V型沟槽模型的减阻率为1.82%。4.为了进一步揭示仿生沟槽结构对于噪声的影响规律,开展光滑模型及仿生沟槽模型的内外场噪声研究,掌握仿生沟槽结构对叶轮受力、压力脉动、内部涡核的影响规律,分析仿生沟槽结构的降噪机理,并探寻降噪效果更优的仿生沟槽结构。结果表明:(1)仿生沟槽结构能够降低离心泵内场噪声及外场辐射噪声,Space-V型沟槽结构对内外场噪声的降低优于V型沟槽结构。在额定工况下,两种仿生沟槽模型总声压级分别降低了1.36%、1.2%。(2)两种仿生沟槽模型能够降低叶轮所受的径向力,从而减小径向力周期性波动引起的振动,进而减小辐射噪声。在叶频处,Space-V型沟槽模型径向力降低了3.85%,V型沟槽模型径向力降低了2.6%。(3)仿生沟槽结构在一定程度上能够减小叶轮和隔舌的动静干涉作用,降低压力脉动。就平均压力而言,Space-V型沟槽模型降低幅度比V型沟槽模型更为突出。(4)仿生沟槽结构能够破坏脱流及尾迹涡,有效控制叶轮内的湍流程度,减少叶轮流道内的涡核,同时仿生沟槽结构能够破坏叶片表面的涡核,减少泵内的能量损失,Space-V型沟槽更为明显。5.基于响应面方法对Space-V型沟槽进行进一步的优化设计,建立了总声压级与仿生沟槽结构高度h,宽度s,间距b之间的回归方程,分析了各个参数交互作用对总声压级的影响,确定了总声压级较低时各个参数范围,并对优化前后的模型进行了水力性能和内场噪声的对比。结果表明:(1)随着沟槽高度的增加,总声压级先减小后增大;随着沟槽宽度的增大,总声压级先减小后增大;随着沟槽间距的增大,总声压级增大。(2)优化后的Space-V型沟槽模型能显著提高离心泵的性能,效率提高了4.51%,阻力减小了3.73%,总声压级降低了1.81%。