关于离心泵流致噪声源贡献的数值分析研究学术报告
本报告旨在介绍一篇近期发表于Physics of Fluids期刊（2025年5月20日，卷37，文章号055136）的原创性研究论文。该研究由江苏大学能源与动力工程学院的顾嘉嵘、高波（通讯作者）、张宁、刘顺、倪丹和周文杰合作完成，题为“Numerical analysis on the contributions of flow-induced noise sources in a centrifugal pump”。以下将对这项研究进行全面的学术性介绍。
一、 研究背景与动机
离心泵作为电力、石油化工及海洋工程等关键领域的核心流体输送设备，其运行稳定性与噪声控制日益受到重视。随着泵设备向高转速、大功率方向发展，运行过程中产生的强烈噪声不仅危害操作人员健康，影响机组稳定，在海洋环境中还会提升环境噪声水平，威胁生态系统。因此，有效控制离心泵噪声具有重要意义。
目前，实践中常采用隔音、减振等被动措施阻断噪声传播路径，但往往难以实现最优控制。从源头识别并降低噪声被认为是更根本的解决方案。泵噪声源主要包括机械噪声、电机噪声和流致噪声（Flow-induced noise）。随着加工、装配及电机技术的进步，机械与电机噪声已得到较好控制，流致噪声因此成为泵噪声的主要来源。流致噪声在频域上表现为离散分量（与转子-静子干涉、二次流、流动分离等周期性现象相关）和宽频分量（与湍流、空化相关）的组合。其中，由叶片通过频率（Blade Passing Frequency, BPF）及其谐波构成的离散分量是泵噪声的主要成分。深入揭示离心泵内部流致噪声源的构成、空间分布特征及其对总噪声的贡献，是优化低噪声泵设计的关键前提，也是当前该领域的研究重点与难点。
以往的研究多采用计算流体力学（CFD）与声学类比（Acoustic analogy）相结合的方法。然而，传统基于雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）方程的流场模拟难以捕捉重建声场所需的精细非定常流动结构。此外，现有声学模型通常只考虑单一类型的噪声源，而多个噪声源之间的非线性叠加效应及其在泵内不同空间位置的贡献分布特征尚未得到充分阐明。因此，本研究旨在应用高保真的数值方法，系统地量化分析离心泵在额定工况下，不同类型流致噪声源（偶极子源、四极子源）的贡献及其空间分布规律。
二、 研究方法与详细流程
本研究采用了“高精度流场模拟（大涡模拟） → 噪声源提取与建模 → 声场有限元重建 → 实验验证” 的耦合数值研究框架，并结合了直接的流致噪声实验测量进行验证。具体流程如下：
1. 研究对象与数值模型建立： * 模型泵： 研究针对一台比转速为69的离心泵模型展开。该泵的主要设计参数为：额定流量55 m³/h，额定扬程20 m，转速1450 rpm。计算域包含进口延伸管、叶轮、蜗壳及出口延伸管，以确保流动充分发展并布置噪声监测点。 * 网格划分与无关性验证： 全计算域采用结构化网格。为确保大涡模拟（LES）的精度，对网格进行了严格的无关性验证。比较了五种不同网格数量下的泵水力性能（扬程系数、效率），最终确定采用总网格数约1430万的网格方案，其中叶轮区域约700万，蜗壳区域约580万。对壁面网格进行了高度细化，确保叶片表面平均y+值约为0.4，满足LES对近壁面分辨的要求。 * 流场求解设置： 流体动力学模拟在商业软件STAR-CCM+中进行，分为两步。首先进行基于SST k-ω湍流模型的稳态计算，为瞬态计算提供初始场。随后切换到高精度的大涡模拟（LES）模型进行非定常计算，采用Smagorinsky-Lilly亚格子尺度模型。介质为室温清水。设置均匀进口速度和无反射出口压力边界条件。叶轮区域采用滑移网格技术处理其旋转运动。时间步长设置为叶轮旋转1度所需时间（约1.1494×10⁻⁴ s），共计算20个旋转周期，最后6个周期的数据用于后续声学分析。
2. 流致噪声的数值模拟（声学类比与有限元法）： * 噪声源理论： 基于Curle对Lighthill声学类比理论的扩展，在无空化条件下，泵内噪声源主要可归类为由固体壁面脉动压力引起的负载噪声（偶极子源） 和由湍流脉动引起的四极子噪声。厚度噪声（单极子源）可忽略。 * 声学有限元模型建立： 将CFD计算得到的非定常流场数据导入LMS Virtual.Lab软件进行声学模拟。首先建立声学有限元网格，为确保计算精度，网格最大尺寸根据最高分析频率（3915 Hz，基于奈奎斯特采样定理和流场时间步长确定）和水中声速（1500 m/s）确定，满足每个波长至少包含6个网格单元的要求。最终声学网格最大尺寸为4 mm。 * 噪声源映射与设置： 研究重点分析了两种偶极子源：(a) 叶片偶极子源：将叶轮旋转时叶片表面的脉动压力载荷，根据Curle理论等效为旋转的点声源（因噪声波长远大于叶轮尺寸，可近似为紧凑声源）。(b) 蜗壳偶极子源：将CFD计算得到的蜗壳内壁面的瞬态压力脉动数据，无损地映射到声学网格上，作为声传播的边界条件。通过傅里叶变换将时域信号转为频域声源。 * 声学边界条件与监测点： 泵的进出口设置为声阻抗边界，以模拟声波的无反射传出。其他固体壁面设置为刚性全反射壁面。为分析噪声贡献，声学模拟分别设置了仅考虑叶片偶极子源、仅考虑蜗壳偶极子源以及两者同时作用（总噪声）三种工况。在泵进口（I1）和出口（O1）管道上布置监测点分析噪声频谱特性。此外，在蜗壳中截面（垂直于叶轮进口）上，以叶轮为中心、直径280 mm的圆周上均匀布置了36个方向性监测点，以揭示噪声的空间分布特征。
3. 实验验证系统： 为验证数值方法的有效性，研究团队搭建了专用的闭式循环实验台进行流致噪声的直接测量。 * 实验系统： 系统包括流体输送系统和信号采集系统。泵采用立式布置，并采用低噪声电机、隔振器、大半径弯头、柔性接头等措施，最大限度地减少机械振动和电磁噪声对水噪声测量的干扰。 * 噪声测量： 采用B&K 8103型高灵敏度水听器进行直接测量，其安装位置与数值模拟中的监测点位置相对应（如出口O2点），确保水听器压力敏感膜与管壁齐平，以准确捕获流噪声。 * 验证内容： 首先对比了LES模拟与实验测得的水力性能曲线（无量纲扬程系数、轴功率系数、效率），结果显示在额定工况下扬程计算误差为1.5%，效率误差低于4%，验证了流场模拟的准确性。其次，对比了O2点处数值模拟（考虑叶片和蜗壳偶极子总噪声）与实验测得的声压级频谱。结果显示，模拟成功捕捉到了由转子-静子干涉引起的BPF及其2、3、4倍谐波等离散分量，各频率幅值误差在1.3%至8.7%之间。在0-3915 Hz频带内的总声压级（Overall Sound Pressure Level, OASPL），模拟值为188.32 dB，实验值为196.88 dB，误差为4.3%。这综合表明所采用的LES-FEM耦合声学类比方法能够有效预测泵内的流致噪声特征。
三、 主要研究结果与分析
1. 宽频噪声源模型分析： 在进入复杂的声场重建前，研究首先应用基于Curle和Proudman公式的宽频噪声源模型，对叶片、蜗壳壁面的偶极子声功率以及流场内部的四极子声功率进行了快速评估与空间分布可视化。 * 叶片偶极子源： 声功率水平在叶片吸力面普遍高于压力面。从叶片前缘到尾缘，吸力面声功率逐渐降低，而压力面则先降后升。叶片前缘因来流冲击负荷较高，声功率也较高。 * 蜗壳偶极子源： 声功率主要集中在蜗壳螺旋段，且舌部下游区域的声功率略高于上游，这表明转子-静子干涉是蜗壳偶极子噪声的主要激励源。进出口管道壁面的声功率贡献远小于蜗壳壁面。 * 四极子源： 与偶极子源相比，由叶片表面流动分离、蜗壳内涡旋等湍流结构产生的四极子声功率水平低得多，且其辐射效率与马赫数的五次方成正比，在低马赫数水下环境中辐射能力很弱，衰减迅速。因此，在后续的声学类比分析中，可以忽略四极子源的贡献，将研究焦点集中于偶极子噪声。
2. 不同噪声源的贡献分析（基于声学有限元结果）： * 频谱特征： * 总噪声 频谱呈现宽频与离散分量结合的特征。离散分量为BPF及其谐波。 * 叶片偶极子噪声 频谱显示出密集的离散谱，不仅包含BPF及其高次谐波，还包含了大量以BPF为基频的高幅值间谐波（次谐波）信号。这表明叶片偶极子噪声不仅受叶片扫过舌部的周期性调制，也受到叶片表面非线性载荷分布的显著影响。 * 蜗壳偶极子噪声 频谱则表现出典型的离散分布，峰值主要出现在BPF及其谐波处，说明其激励源主要是转子-静子干涉引起的周期性动压载荷。 * 贡献度随频率和空间的变化： * 在泵进口和出口（I1, O1）： 在低频段（0-10倍BPF），叶片偶极子源的声压级显著高于蜗壳偶极子源，且总噪声的频谱与叶片偶极子源高度重合，呈现准连续谱特征。这表明在低频段，叶片偶极子源对总噪声的贡献占绝对主导地位。 * 随着频率升高，蜗壳偶极子源的贡献逐渐增大。当频率超过20倍BPF时，无论是在进口还是出口，蜗壳偶极子源的平均声压级（通过频带平均声压级Lm比较）都超过了叶片偶极子源，并更接近总噪声水平。这意味着在高频段（>20×BPF），主导噪声成分转变为蜗壳偶极子源。这一现象在泵出口处更为明显，因为蜗壳偶极子源更靠近下游。 * 在蜗壳内部： 与进出口不同，在整个模拟频段内（0-27倍BPF），蜗壳内部的噪声始终以叶片偶极子源为主导。特别值得注意的是，在BPF频率处，叶片偶极子源产生的声压级甚至略高于“总噪声”（即两个源共同作用的结果）。这表明在蜗壳这个封闭的复杂空腔内，两个偶极子源产生的声波在近场传播过程中，与腔壁发生了多次反射和相互干涉，产生了非线性抵消或衰减效应，而非简单的线性叠加。
3. 声场空间分布特征： 通过蜗壳中截面上的声压级云图及方向性监测点的极坐标图分析发现： * 在BPF、2倍BPF、3倍BPF等离散频率上，蜗壳内部的声压级呈现出清晰的周期性分布，周期数分别等于叶片数、叶片数的两倍等，这直接印证了转子-静子干涉的调制效应。 * 对于蜗壳偶极子源，其声压在舌部下游方向普遍高于上游方向。 * 蜗壳内部，特别是靠近声源区域，高频噪声（如10-20倍BPF, 20-27倍BPF）的强度显著高于泵进口或出口管道。原因有二：一是蜗壳内部作为涡旋、湍流和流动分离的集中区域，压力脉动更剧烈，直接产生了更多高频噪声；二是高频声波波长较短，在向远处管道传播时衰减更快，穿透能力较弱，而在蜗壳内部则可能通过多次反射和散射被“困住”并增强。
四、 研究结论与价值
本研究通过耦合大涡模拟（LES）与有限元法（FEM）的声学类比方法，结合实验验证，系统揭示了额定工况下离心泵内流致噪声源的贡献机制与空间分布特性，主要得出以下结论：
研究的科学价值与应用意义： * 科学价值： 本研究首次清晰量化并区分了离心泵中叶轮旋转偶极子源与静止蜗壳偶极子源在不同频率、不同空间位置对总流致噪声的贡献比例，揭示了其随频率变化的“主导权转移”现象。同时，明确了蜗壳内部近场声学的非线性叠加特性，深化了对多源复杂空腔声场物理机制的理解。 * 工程应用价值： 研究结论为离心泵的低噪声优化设计提供了明确的理论指导和精准的“靶点”。例如，若要降低低频噪声，应优先优化叶轮设计（如叶片型线、载荷分布）以减少叶片偶极子源强度；若要控制高频噪声，则需重点关注蜗壳（尤其是舌部区域）的设计与优化。此外，所建立并验证的高保真LES-FEM耦合数值方法，为泵及其他流体机械的流致噪声高精度预测与机理研究提供了可靠的工具。
五、 研究亮点