雙級(jí)滑閥式真空泵排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)噪聲預(yù)測(cè)

　　基于大渦模擬和聲學(xué)類比理論相結(jié)合的方法對(duì)雙級(jí)滑閥式真空泵排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)噪聲進(jìn)行預(yù)測(cè)，根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果分析噪聲分布規(guī)律及氣動(dòng)噪聲聲場(chǎng)特性。通過(guò)CFD 數(shù)值模擬計(jì)算，對(duì)排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)管道不同截面測(cè)量點(diǎn)的壓力進(jìn)行了頻譜分析，對(duì)比了不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)聲壓的特點(diǎn)。通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算，預(yù)測(cè)值和試驗(yàn)數(shù)據(jù)良好吻合。結(jié)果表明，變截面結(jié)構(gòu)的排氣系統(tǒng)的主要噪聲源來(lái)自于排氣腔近出口處，變截面處也是氣動(dòng)噪聲的來(lái)源，排氣腔聲場(chǎng)具有對(duì)稱性；雙級(jí)滑閥泵排氣系統(tǒng)氣動(dòng)噪聲能量主要集中在1000 Hz 以內(nèi)，在低頻時(shí)具有偶極子特性的輻射指向性，高頻寬帶噪聲不具有指向性。

　　滑閥式真空泵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠，造價(jià)低廉，是一種生產(chǎn)量大、應(yīng)用面很廣的真空獲得設(shè)備。但是，該泵的噪聲和振動(dòng)大，不但對(duì)環(huán)境造成不利影響而且也會(huì)減少真空系統(tǒng)的壽命，限制了滑閥真空泵的發(fā)展空間。在滑閥泵正常工作狀態(tài)下，其噪聲主要來(lái)自泵轉(zhuǎn)子的不平衡運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的諧波機(jī)械噪聲和高速高壓的油氣的沖擊噪聲。近年來(lái)國(guó)內(nèi)滑閥泵研究對(duì)減振降噪方面已經(jīng)取得了顯著成果，而降低沖擊噪聲的研究遲遲未開(kāi)展�；�閥泵的油氣沖擊噪聲源自“油錘效應(yīng)”，這是油封式機(jī)械真空泵所特有的共同的現(xiàn)象，由于依靠泵油來(lái)密封間隙，在排氣時(shí)形成的液氣沖擊波導(dǎo)致了噪聲的產(chǎn)生。除了采取改變油箱材料、控制油量等措施外，真空技術(shù)網(wǎng)(http://genius-power.com/)認(rèn)為對(duì)排氣系統(tǒng)即排氣管道進(jìn)行變截面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不失為一種有效降噪的方式。

　　因此研究排氣系統(tǒng)的發(fā)聲原理并尋找聲源，為抑制滑閥真空泵的排氣沖擊噪聲提供依據(jù)和方法就顯得尤為重要。但是排氣管道由于管道截面發(fā)生多次、多種變化，介質(zhì)高速穿過(guò)變截面管道，過(guò)流斷面面積增加或減少，流體會(huì)突然膨脹或突然收縮，并且伴隨產(chǎn)生振動(dòng)、碰撞和沖擊，產(chǎn)生雷諾應(yīng)力、剪切力，形成可見(jiàn)尺度的渦旋即湍流流動(dòng)，從而導(dǎo)致空氣發(fā)聲，由此可見(jiàn)其排氣系統(tǒng)發(fā)聲原理是極其復(fù)雜的，通過(guò)理論計(jì)算的方法很難獲得聲場(chǎng)的具體分布。但隨著計(jì)算流體力學(xué)( CFD) 的快速發(fā)展，通過(guò)對(duì)滑閥泵的排氣系統(tǒng)建立模型，利用有限元方法對(duì)模型的近場(chǎng)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行滑閥式真空泵排氣過(guò)程聲場(chǎng)遠(yuǎn)場(chǎng)計(jì)算，獲得滑閥泵排氣腔空間聲壓的分布情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)滑閥泵排氣系統(tǒng)的氣動(dòng)噪聲進(jìn)行預(yù)測(cè)。

　　本文基于廣義萊特希爾理論，采用大渦模擬和聲比擬理論對(duì)排氣系統(tǒng)的流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值分析和預(yù)測(cè)，首先，排氣系統(tǒng)近場(chǎng)流場(chǎng)是非定常湍流流場(chǎng)，通過(guò)大渦模擬方法計(jì)算獲得壓力和速度分布信息；然后基于FW-H 方程模擬遠(yuǎn)場(chǎng)氣動(dòng)噪聲，并對(duì)測(cè)量點(diǎn)的聲場(chǎng)進(jìn)行分析。最后，與試驗(yàn)結(jié)果相互印證，驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算結(jié)果的正確性。本文通過(guò)數(shù)值模擬結(jié)果分析變截面管道流場(chǎng)空腔內(nèi)的噪聲規(guī)律及其氣動(dòng)噪聲的特性，并為進(jìn)一步降低變截面管道空腔噪聲抑制方法提供參考和借鑒。

1、排氣系統(tǒng)近場(chǎng)流場(chǎng)的數(shù)值模擬

　　首先對(duì)排氣系統(tǒng)近場(chǎng)流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，它是排氣系統(tǒng)的噪聲預(yù)測(cè)即遠(yuǎn)場(chǎng)聲場(chǎng)計(jì)算的前提和基礎(chǔ)。大渦模擬是一種通過(guò)精確計(jì)算一定湍流尺度的運(yùn)動(dòng)，從而能夠計(jì)算湍流中許多非穩(wěn)態(tài)、非平衡過(guò)程中出現(xiàn)的大尺度效應(yīng)的方法，排氣系統(tǒng)的近場(chǎng)流場(chǎng)屬于非穩(wěn)態(tài)的湍流流動(dòng)，因此利用大渦模擬方程模擬一定速度下的二維均勻流場(chǎng)氣流通過(guò)不同截面管道的近場(chǎng)流場(chǎng)特性。

　　1.1、模型及網(wǎng)格劃分

　　某廠生產(chǎn)的2H-150 型滑閥式真空泵的排氣結(jié)構(gòu)如圖1 所示，泵腔的氣體從排氣閥噴出后，經(jīng)過(guò)氣閥連接座、油氣排管、擋氣罩、排氣管排出泵體外。

圖1 滑閥式真空泵排氣結(jié)構(gòu)圖

　　氣體在氣閥連接座到油氣排管的噴出過(guò)程中發(fā)生了一次截面突變，然后油氣混合物從油氣排管到擋油罩，排氣管道截面又經(jīng)歷了一次截面突變。擋油罩過(guò)濾掉泵油氣體繼續(xù)噴出，經(jīng)過(guò)排氣管排出油箱外，因此排氣腔變截面管道的聲學(xué)簡(jiǎn)化為如圖2所示的兩節(jié)串聯(lián)的空腔結(jié)構(gòu)。

圖2 排氣腔簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖

　　由于圓管具有對(duì)稱性，因此本文建立了如圖2的二維模型，在直角坐標(biāo)系下劃分結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，進(jìn)行非定常湍流流場(chǎng)值模擬。對(duì)模型進(jìn)行了如下的條件設(shè)置：

　　(1) 流體介質(zhì)選擇溫度為28℃的不可壓縮理想氣體，粘度為μ = 1.7894 × 10 ^-5 kg /m·s。

　　(2) 二維空腔模型第一節(jié)長(zhǎng)深比為1.2，第二節(jié)空腔模型長(zhǎng)深比為3，擋油罩的長(zhǎng)徑比為0.285。

　　(3) 油氣沖擊液頂開(kāi)排氣閥，以極高的速度沖擊排氣腔壁面、擋油罩等阻礙物，因此發(fā)出很大的聲響。本文模擬計(jì)算最大氣流沖擊對(duì)排氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)噪聲預(yù)測(cè)，忽略氣流速度壓力的變化，取常值，設(shè)定油氣混合流體沖擊速度v 值為30 m/s，馬赫數(shù)是0. 0294，基于排氣腔直徑的雷諾數(shù)Re 為2 × 10⁵。

　　(4) 設(shè)置二維模型的入口和出口壓力均為大氣壓，壓力值為101325 Pa。

　　1.2、流場(chǎng)仿真

　　為滑閥泵排氣系統(tǒng)二維模型劃分計(jì)算網(wǎng)格圖。采用四邊形單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，四邊形單元的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單方便，具有完整的結(jié)構(gòu)，同時(shí)節(jié)約大量的內(nèi)存和時(shí)間。整個(gè)流場(chǎng)計(jì)算區(qū)域采用非均勻網(wǎng)格劃分，將空間劃分為6 個(gè)計(jì)算區(qū)域，采用約15 萬(wàn)的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。對(duì)靠近排氣腔變截面處的網(wǎng)格劃分加密，遠(yuǎn)離變截面處的區(qū)域網(wǎng)格劃分逐漸稀疏。圖3 是網(wǎng)格的不均勻分布和部分聲場(chǎng)計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格劃分示意圖。設(shè)定氣體從左測(cè)流入，向右上和右下噴出，設(shè)置邊界類型，入口條件為速度進(jìn)口( velocity-inlet) ，右側(cè)的兩個(gè)出口均設(shè)置為壓力出口( pressure-outlet) 。其余的邊界設(shè)置為管壁邊界條件，包括無(wú)滑移、絕熱壁面條件和柯西黎曼無(wú)變量無(wú)反射遠(yuǎn)場(chǎng)邊界條件。

圖3 部分聲場(chǎng)計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格劃分示意圖

2、結(jié)論

　　本文利用計(jì)算流體力學(xué)大渦模擬和聲學(xué)比擬理論( FW-H) 方法對(duì)滑閥式真空泵變截面管道排氣腔氣動(dòng)噪聲進(jìn)行數(shù)值分析及預(yù)測(cè)。通過(guò)對(duì)變截面管道排氣空腔的流場(chǎng)及聲場(chǎng)分析和研究可以得出以下結(jié)論：

　　(1) 計(jì)算結(jié)果表明，預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)測(cè)量值基本吻合，說(shuō)明本文采用的CFD 技術(shù)和氣動(dòng)聲學(xué)理論方法基本正確可靠。

　　(2) 排氣腔腔內(nèi)噪聲產(chǎn)生的主要原因是排氣腔截面突變，形成脫體渦，渦的生成、脫落，與排氣腔壁面的剪切分離脫落間產(chǎn)生了噪聲。在油氣混合液離開(kāi)排氣管向擋油罩出口處流動(dòng)過(guò)程中，隨著速度的增加，流體沿壁面改變運(yùn)動(dòng)方向，脫體渦快速生長(zhǎng)快速脫落，成為主要噪聲源。

　　(3) 排氣空腔聲壓級(jí)在低頻時(shí)幅值最大，主要噪聲能量集中在1000 Hz 以內(nèi)，與文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)論一致。同時(shí)，排氣空腔低頻聲場(chǎng)在遠(yuǎn)場(chǎng)具有明顯輻射指向性，并且由此認(rèn)為脫體渦導(dǎo)致的脈動(dòng)載荷屬于偶極子流體動(dòng)力聲。而在高頻率的寬頻區(qū)沿著遠(yuǎn)場(chǎng)不具備指向性的傳播。

　　(4) 從排氣空腔的流場(chǎng)、聲場(chǎng)分布來(lái)看，排氣腔截面突變處以及排氣管與擋油罩空間轉(zhuǎn)化遠(yuǎn)壁面處聲壓級(jí)最大，為降低噪聲指明了方向，為工程實(shí)驗(yàn)提供數(shù)據(jù)參考。