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上海 海基 盛元 信息 科技有限公司 基于 PumpLinx与 ACTRAN的 泵阀与旋转机械噪声 解决方案 上海 海基 盛元信息 科技有限公司 2013年 1月 上海 海基 盛元 信息 科技有限公司 目 录 1 泵阀与旋转机械噪声仿真的必要性 . 3 2 泵阀与旋转机械噪声解决方案 . 4 2.1 流动声学数值计算方法 介绍 . 4 2.2 仿真流程 . 5 2.3 软件介绍 . 6 2.3.1 PumpLinx软件介绍 . 6 2.3.2 ACTRAN软件介绍 . 10 3 PumpLinx与 ACTRAN联合仿真案例 . 15 3.1 离心泵噪声研究案例 . 15 3.2 螺旋桨案例分析 . 18 3.2.1 螺旋桨几何模型 . 18 3.2.2 利用 PumpLinx进行 CFD计算 . 18 3.2.3 利用 ACTRAN进行声学计算 . 21 3.3 风扇、风机噪声案例 . 24 3.4 机油泵辐射噪声分析 . 25 4 技术优势与应用前景 . 26 附 1 相关软件推荐模块配置 . 29 附 2 海基科技简介 . 30 上海 海基盛元信息 科技有限公司 1 泵阀与旋转机械噪声仿真的必要性 泵阀与旋转机械如泵、阀门、风机、螺旋桨、涡轮机械等广泛应用于国民生产各部门以及船舰、航空航天等领域。随着科学技术的发展和人们环境意识的提高,降低它们的噪 声也成为重要的研究内容之一。泵阀与旋转机械噪声主要包括流动诱导噪声 和空泡 噪声 等,对其噪声的研究越来越受到重视,这也是从根本上降低泵阀与旋转机械噪声的有效手段。 泵阀与旋转机械内部流动诱导噪声 主要是由其内部非稳定流动所引起的,也就是流体的扰动、 流体与固体间相互作用,实质上是其内部流动的一种反映形式 ,泵阀与旋转机械内部流场非定常的湍流 、涡流及回流等 本身就 是一种流 动声源并对外辐射 噪声; 同时流体流动还会产生一定的 压力脉动 ,在压力脉动会的作用下会引起结构的振动,如果结构的振动频率 的频率接近 系统 工作件的主频,还会发生共振,并在相邻的环境介质内引起声压波动,产生很大的 振动辐射 噪声。 对于以液体为工作介质的 泵阀 与旋转 机械通 常也容易出现 空 化 或 空 蚀 现象, 空化是一种液体特有的复杂的流体动力学现象 , 当液流系统中的局部低压低于相应温度下该液体的饱和蒸汽压力时 , 液体便开始汽化形成空泡并快速生长 ,这些空泡随主流运动到高压区时 , 将发生收缩和溃灭 。 空泡溃灭时, 会产生很大的冲击和噪声, 对外辐射强烈的 空泡噪声。 由于采用数值模拟方法,分析求解过程均在计算机上完成,可以减少物理样机制造数量、减少物理样机试验次数,从而节约大量样机制造与试验的经济和时间成本 。 对于泵阀和旋转机械的噪声问题, 目前比较有效的研究方法 主要 还是通过数值方法来近似求解。 目前采用的比较可行的方法是基于 CFD 与噪声软件的混合求解技术 ,即先利用 CFD 软件对泵阀与旋转机械 的工作过程进行瞬态流场计算,然后采用相关的声类比方法将 CFD 计算 获得的流场信息 转换为声源,最后 进行声场求解计算 ,获得声源特性和声场分布情况 。其中, CFD 求解部分,如果采用 传统的 CFD软件 像 FLUENT、 CFX、 StarCCM+等 从理论上来讲可以模拟 泵阀与旋转机械的流场与 空泡问题,但在实际模拟过程中会遇到计算的收敛性性和稳定性 等 问题, 尤其是对于空泡问题, 近年来难以看到这些软件 在 模拟空泡上海 海基盛元信息 科技有限公司 问题的 成功 案例,此外在网格划分、模型设置及求解速度上也有一定的局限性。而 PumpLinx 软件就是针对这些问题而研发的一款专业 CFD 泵阀与旋转机械数值模拟软件,该软件不但具有专业泵阀与旋转机械计算模型,同时还 具有 基于 A shok.Singhal 和 Jiang Yu等人提出的全空化模型,可精确求解包括空化、超空化在内的 泵阀与旋转 机械的复杂流动问题。 在目前的声学数值计算软件中,ACTRAN 作为 当 今市场上最完善的声学模拟软件, 是 计算声学领域的技术领先者 , 尤其 在流动噪声求解方面具有独一无二的优势, 还 可以非常方便的实现 与PumpLinx 软件 的 联合 仿真求解,非常适合 对泵阀、旋转机械工作时产生的 噪声问题进行数值模拟分析,从而采取相应的优化改进措施, 帮助工程师设计出 性能好、噪音低 的产品。 2 泵阀与旋转机械噪声解决方案 2.1 流动声学数值计算方法介绍 对泵阀与旋转机械的噪声研究必 须综合计 算声学与流体力学研究,在满足泵阀与旋转机械等机械 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 20Hz20KHz,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 泵阀与旋转机械噪声数值分析方法比较 特点与不足 方法 1 直接 CAA 方法 2 混合方法 CFD/ACTRAN 方法 3 混合方法( F-WH/BEM) 方法 4 湍流模型 上海 海基盛元信息 科技有限公司 计算资源 最多 一般 一般 最少 反射效应 声透射结构 声波对流体的作用 求解类型 瞬态 瞬态 瞬态 稳态 精确性 好 好 好 有限制 表 2-1中直接 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,但是对问题求解的精确性不够,难以满足工程上噪声分析的要求。因此对于泵阀与旋转机械噪声问题,较多采用中间两种方法。 2.2 仿真流程 ACTRAN处理泵阀与旋转机械噪声问题时, 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 Mhring声类比方法分析声场。 泵阀与旋转机械模拟方案包含两步, 第一 步是采用 PumpLinx 模拟泵阀与旋转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 与旋转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; 上海 海基盛元信息 科技有限公司 ( 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 Mhring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 泵阀与旋转机械噪声分析步骤 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,他上海 海基盛元信息 科技有限公司 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,上海 海基盛元信息 科技有限公司 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。 上海 海基盛元信息 科技有限公司 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上海 海基盛元信息 科技有限公司 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

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