基于模态动力学的离心风机振动特性数值研究

采用数值方法研究离心风机在流体激励力和叶轮离心力共同作用下的结构响应。离心风机在运行过程中的振动主要由流体激励力和叶轮离心力引起,传统的分析方法很难准确地模拟和预测这种流固耦合振动。首先模拟离心风机内部三维非定常流场,然后将流场分析得出的流体激励力施加到风机叶轮上,采用模态动力学方法对离心风机进行振动响应计算。研究叶片数和前盘厚度两种结构参数对离心风机振动特性的影响。结果表明,存在最佳的叶片数和前盘厚度值,使得离心风机达到较好的减振效果;增加前盘厚度有利于提高叶轮强度,但是随着前盘厚度的增加,系统振动越来越强烈,因此在叶轮设计时应充分考虑叶轮强度以及风机整机振动性能以确定最佳叶轮结构。     

运行参数与轴流泵流体激励力的关系

泵内非定常压力脉动会引发泵体的结构振动,运行工况的变化会改变泵内流场的流动状态,从而对泵的振动特性产生影响。通过流体力学计算软件FLUENT对某台立式轴流泵内流场进行仿真计算,分别改变泵运行速度和流量两项参数,得出转速改变后,叶轮受到的力会偏离了相似理论的计算值;工作在小流量时,泵内压力脉动与叶轮受力均大于大流量工况,且叶轮区域出现流动分离现象,不利于振动噪声的控制。     

多级离心泵流场优化及验证

流体激励力是离心泵主要振源之一。通过对离心泵流场进行优化,可有效降低泵组流体激励力,减小离心泵振动。以多级离心泵的减振降噪为研究目的,运用CFD仿真技术从切割叶轮及改变蜗壳形状两个方面对流场进行优化。通过对比优化前后压力脉动以及流场激励力变化,说明优化情况。最后考虑加工工艺要求,选择切割叶轮的优化方法,并通过机脚振动响应的变化间接验证改善效果。结果表明：切割叶轮与改变隔舌形状对离心泵叶频及其倍频下的压力脉动与流体激励力都有减小,切割叶轮后机脚响应降低了4 dB。     

离心泵流动诱发振动特性数值计算分析

建立了一种适用于离心泵等叶轮机械流动诱发振动工程计算的数值模型和方法流程。基于URANS方程求解泵内流场,在流场非定常计算过程中输出叶轮所受时域脉动压力,将脉动压力通过FFT转换到频谱并以之作为泵组结构的振动激励源,采用隐式有限元方法进行泵组结构振动响应的计算。计算方法通过测试得到验证,可以用于离心泵流动诱发振动特性的计算评估和低噪声设计。完成了原型和改进型船用海水泵在设计工况下流动诱发振动响应的计算,分析了两型泵流场、振动激励源和振动响应等特性。计算表明,泵的改型设计显著减小泵内压力脉动以及振动激励源,改型泵振动小于原泵。     

离心泵流体激励力诱发的振动:蜗壳途径与叶轮途径

研究蜗壳、叶轮途径流体力诱发的离心泵振动,分析CFD蜗壳内表面流体力作用下电机-离心泵-机架FEM模型瞬态响应;用Newmark-β算法分析CFD叶轮表面流体合力、合力矩作用下叶轮-转轴-支撑-机架转子动力学模型响应;并对比蜗壳、叶轮两条途径流体力诱发离心泵基座振动。结果表明,泵内表面流体压力脉动为宽频激振源,会诱使离心泵系统产生各阶模态振动;流体力通过叶轮途径诱发离心泵基座振动位移幅值谱最大峰值出现在叶轮转频处,振动加速度幅值谱最大峰值出现在叶轮流道通过频率处,而非叶片通过频率处;流体力通过蜗壳途径诱发的离心泵基座振动远小于叶轮途径诱发的振动,叶轮-转轴-支撑-机架为流体激励诱发离心泵基座振动的主要途径。     

多工况下多级离心泵水动力噪声数值研究

采用Lighthill声类比理论研究了多工况下五级导叶式离心泵由偶极子声源激励产生的水动力噪声。数值计算了五级离心泵内部瞬态流场,提取其全级数壁面偶极子声源,并采用直接边界元法计算泵内流体诱导噪声。对泵进行基于模态响应的振动计算,并进行振动测试,经试验验证,多级离心泵内流动诱导振动噪声数值预测方法具有一定可行性。结果表明:随流量的增大,泵的进出口水动力噪声先升高后降低再升高,设计工况噪声水平最小;声压频率分布中BPF2及其特征频率上的噪声能量随流量的增大而增强,高频段的噪声能量明显增加;首级叶轮、后四级叶轮及正导叶的叶片数对泵内流噪声影响较大,而反导叶叶片数影响相对较小。研究结果可为低噪多级离心泵设计提供参考。     

叶型改进对离心通风机内部气动激励影响机理的数值分析研究

叶片是离心通风机核心部件,为研究叶型改进对离心通风机振动的影响,对某型离心通风机进行气动激励的仿真计算;通过定常计算,发现叶型改进能够推迟流动分离,减小诱发振动的激励因素;通过非定常计算,发现叶型改进对离心通风机气动激励的影响主要体现在压力脉动的改善,尤其是叶频脉动的降低;用计算分析结果对通风机振动变化进行预估,样机试验结果表明,叶型改进能够降低叶频振动,同时也表明气动激励分析可为通风机低噪声改进效果提供判断依据。     

离心泵流体激励力的研究：叶轮部分

研究叶轮流体激励力是进一步研究离心泵流体激振的基础之一。本文基于对单级单吸式离心泵内非定常流场的CFD计算,通过积分得出叶轮转动过程中叶轮各表面所受空间三个方向的流体和力与和力矩,并分析了各表面对合力与合力矩的贡献,最后通过测试离心泵转轴的径向振动位移以验证所得结果的正确性。结果表明,叶轮各表面流体力空间三向合力与绕三个正交坐标轴的合力矩均周期波动,其中两个相互垂直的叶轮径向流体合力均以叶轮转动一周为一个周期,其余方向合力与绕坐标轴的合力矩均以相邻叶片通过蜗舌的时间一个周期;叶片所受流体径向合力是叶轮所受径向流体力的主要来源,叶轮前盖板外表面与后盖板外表面之间的压力差决定叶轮所受轴向力的大小,前盖板流体压力分布的不均匀程度决定叶轮绕径向转矩的大小,叶片所受流体力是叶轮绕转轴转矩的主要原因。     

基于层约束叶片的核主泵空化特性与动力学特性研究

为研究瞬态空化工况下CAP1400核主泵动力学特性,基于层约束设计方法对叶轮叶片进行优化设计,使得产生在后盖板附近的气泡不至快速向前盖板方向发展,即将汽泡发展约束至不同层内。基于雷诺平均动量方程和SST k-ω湍流模型,通过CFX软件对核主泵空化瞬态过程进行定常和非定常数值计算,得到最优层约束叶片模型和空化发展过程中叶轮的瞬态轴向力与径向力变化,对时域信号进行快速傅里叶得到轴向力与径向力的频域特性。模拟结果分析表明:层约束叶片设计能够有效提升泵在小流量工况时的水力效率,而保持其在额定工况区域水力效率基本不变;空化瞬态过程叶轮所受轴向力指向叶轮进口,受空化汽泡带来的叶片表面压力差变化的影响较大;叶轮瞬态径向力合力周向分布规律不受空化程度的影响,而与泵本身的运行状态有关;核主泵在低频范围内径向持续振动明显强于轴向振动,且伴随空化的加剧愈加显著。     

离心泵流体激励力的研究：蜗壳部分

研究了叶轮转动过程中离心泵蜗壳所受流体激励力。基于CFD计算了离心泵叶轮转动过程中的瞬态内流场,而后积分得出蜗壳内表面三个方向上流体激励合力并进行频谱分析,最后运用九次多项式拟合、傅立叶级数与分段多项式拟合分别建立叶轮单周转动各向流体合力数学模型。结果表明：蜗壳所受出口方向、进口方向与垂直于进出口方向的流体激励力以叶片通过频率为基频波动,且波动幅值依次减小,波谷均出现于叶片通过蜗舌时;采用三段多项式拟合所建的数学模型与原始波形有最小的偏差,并且具有较低阶次     

流体激励诱发轴流泵结构振动计算方法

泵内非定常压力脉动会引发泵体的结构振动,而由压力脉动引发结构振动的计算方法是一个值得研究的问题。通过有限元分析软件对某台立式轴流泵内流体压力脉动引发的结构振动响应进行了仿真计算。将数据处理后与试验值进行了对比,并对该方法准确性和可行性进行了分析。结果表明:该计算方法可以用于已知压力脉动情况下叶频振动加速度的预估,若增加采样点个数,采样频率提高,可以提高叶频高次谐波频率的识别能力。     

《基于非线性动力学的风机叶轮系统流固耦合振动研究》

利用相空间重构、关联维、近似熵和L-Z复杂度等非线性动力学分析方法,定性和定量地分析了风机级间流场压力脉动与叶轮叶片振动信号随工况变化的特征和规律。研究结果表明：二者之间具有互体现性,存在耦合关系。     

叶片厚度对旋涡风机叶片噪声的影响分析

利用三维CFD模型对旋涡风机内部流场进行模拟分析,获得叶片表面的压力脉动信息,以叶片表面压力流场作为气动声源,通过求解FW-H方程,计算了叶片产生的远场气动噪声;并以叶片表面的压力脉动信号作为激励源,计算了叶片振动产生的噪声。计算结果表明叶片厚度在1 mm到4 mm的范围,其气动噪声基本保持不变,结构噪声随叶片厚度减小而大幅增加,进一步分析得出叶片产生的噪声以气动噪声为主,结构噪声基本可以忽略。     

泵—马达液压传动系统中的压力拍振分析

在泵—马达液压传动系统中,由于泵和马达的周期性吸油排油,不可避免地存在流量脉动,当泵和马达脉动的频率相接近时,系统会发生压力拍振现象。建立泵-马达传动系统的压力脉动数学模型,从理论上分析压力拍振的周期和幅值特点。采用集中参数法建立泵-马达传动系统的仿真模型,并通过仿真和试验分析系统压力拍振的规律,结果表明当泵和马达脉动频率比较接近时会发生压力拍振且拍振幅值随频率接近程度增加而增加。在压力拍振机理分析的基础上,提出合理选取传动比和柱塞数目可以有效抑制系统压力拍振。     

螺旋离心泵转子系统动态响应数值分析

为研究螺旋离心泵转子对流固耦合作用的动态响应信息,以ZJ200-25型双叶片螺旋离心泵为研究对象,利用CFD软件CFX12.1和有限元软件ANSYS Workbench对其进行了考虑流场变载荷和结构相互作用的两场交替联合求解。得到转子受到的激励力以及位移响应频谱特点,结果表明：叶轮受到流场变载荷激励,发生了弯曲及拉伸振动;叶轮径向位移随流量增大而减小,其主频率与径向力主频率同为48.3Hz,轴向力以低频随机波动为主,但轴向位移仅在200Hz以内有较明显的响应,且振幅随频率增加而减小;叶轮质心位移在低阶频率处的振幅不高,高阶频率的振幅逐渐减小,轴向及径向位移均没有振幅过大的情况出现,说明螺旋离心泵转子正常工作时未发生共振,稳定性良好。本文研究结果对螺旋离心泵转子系统的设计改良及振动分析具有一定的参考意义。     

The vibration analysis model of pipeline under the action of gas pressure pulsation coupling

Pipeline vibration is the main factor that makes pipeline system can't work properly. And the pressure pulsation of the air flow is one of the important factors, which causes the gas pipeline vibration. In order to further understand the influence of the pressure pulsation on the pipeline system vibration, the analysis model and calculation method of the pressure pulsation and pipe coupling interaction are established. Taking transferring matrix method to calculate the natural frequency of gas column, and using the stiffness matrix method to obtain the pressure pulsation. According to the interaction force between the pressure pulsation and the pipeline wall, the equation of forced vibration of pipeline is established, which can obtain the variation trends of vibration displacement and velocity of pipeline system. Using field test data to verify the theoretical calculation results, the results of the calculated values and test values are within error limits. The results can provide a theoretical basis for the safety evaluation of oil and gas pipeline, and provide a reference for the pipeline mechanical properties research.     

蓄能器组吸收水压柱塞泵压力脉动机理与试验研究

在阀配流斜盘连杆式海（淡）水轴向柱塞泵结构原理的基础之上,分析了其压力脉动产生的机理,建立了蓄能器组吸收压力脉动的数学模型,阐述了蓄能器组吸收压力脉动的机理,并对安装盒式隔膜蓄能器组前后、不同的蓄能器组充气容积、不同的系统负载下水压泵的压力脉动进行了对比试验研究。试验结果表明：采用蓄能器组后水压泵的压力脉动明显降低;增大蓄能器充气容积可以减小水压泵的压力脉动;不同系统工况影响蓄能器吸收压力脉动效果。研究结果对水压泵的减振降噪具有指导意义。