1.2.3湍流诱发噪声的研究
离心泵内部流场极其复杂,湍流等复杂流动现象广泛地存在于离心泵的内部流场中,运用理想流体模型与势流理论不足以描述离心泵中流体动力学噪声产生的问题。然而,流体动力学科本身也还未得到完全发展,特别是对湍流的研究还处于经验模式与理论研究相结合的阶段,虽然运用漩涡来描述流场的方法极大的促进了对湍流等流动现象的认识,但还不足以完全解决流体动力声学的问题,可以预见湍流诱发噪声问题的完全解决将是在湍流理论的充分发展之后。
由于湍流与离心泵内部本身结构的复杂性,对离心泵中湍流诱发噪声的研究起步相对较晚,以前所作的研究大多针对流体脉动激励而引起的结构振动产生的声辐射,对流体自辐射噪声的研究较少涉及。可以查到的关于离心泵中湍流诱发噪声研究最早的文献是Bent,Paul在1993年进行的离心叶轮机械叶片通过频率及其谐波以外流体动力学噪声的试验研究,该研究指出离心泵中两种不同机理产生的噪声,一种是叶片与失速流的耦合产生的噪声;第二种噪声源与叶轮出口的湍流有关;这种噪声是由尾迹脱落引起,是一种宽带噪声。Wan和Jong等人在2003年也通过试验研究了由湍流诱发的宽频噪声,为湍流噪声数值模型的建立提过了验证的数据。同时,基于Powell的涡声理论对离心泵湍流诱发噪声的数值研究成为热点,Powell认为对于低马赫数的流体漩涡是产生流体动力场与辐射声场唯一声源。Kato就通过大涡模型(LES)对湍流产生的噪声进行了模拟,大涡模型认为流体中的流场是由尺度较大的漩涡决定,而尺度较小的漩涡主要决定能量的耗散。2008年Argarin提出了运用流体速度代替叶轮速度以进行量纲分析来估计离心泵中的湍流引起的噪声的新方法。
2.离心泵噪声研究的方法
如上所述,从不同角度研究离心泵产生噪声的方法很多,即使是同一角度的研究所采用的方法也各不相同,但他们都是从数学模型推导、数值计算与试验研究三个方面进行的。因此,下面将这从这三个方面对离心泵产生噪声所用的研究方法及其发展进行总结。
2.1数学模型推导
2.1.1运用Lighthill声类比理论
Lighthill方程是现代气动声学诞生的标志,也是研究如离心泵这类叶轮机械产生噪声的基础。它是1952年Lighthill为了解决气体喷射诱发的噪声,联合可压缩流体的连续性方程与欧拉方程推导出来的,适合于固体边界不起主要作用的情况;Curle在Lighthill的基础上考虑固体边界的影响;1965年Lowson进一步把该理论发展为边界沿任意方向移动。在他们的基础上,Williams和Hawkings在1969年把Lighthill方程扩展到了边界表面的任意移动,因此后来对流体噪声的理论推导都直接运用了FW-H方程。Curle模型和FW-H模型均是在假定流体是静止的基础上的到的,Goldstein运用Green函数法研究了均匀介质下运动物体的发声问题,他所得到的结果被称为广义Lighthill方程。
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