沙集泵站流致噪聲特性數值模擬分析

張小雨，成 立，顏紅勤，蔣紅櫻

（1.揚州大學水利科學與工程學院，江蘇 揚州 225009；

2.江蘇省水利工程科技咨詢股份有限公司，江蘇 南京 210029）

泵站是集水力機械、電氣設備與水工建筑物于一身的水利工程［1-2］，江蘇作為南水北調東線工程的源頭，境內分布著大量水泵站。由于江蘇地處我國大陸東部沿海地區中部，位于長江和淮河下游，地勢平坦且低洼，所以江蘇境內的泵站多是立式泵站。這些泵站具有揚程低、流量大以及年利用小時數多等特點，在跨區域調水、防洪排澇以及改善生態環境等方面發揮著關鍵作用，為現代化經濟建設作出巨大的貢獻。因此泵站安全高效運行對于抵御自然災害，保證農業穩產高產，對江蘇省國民經濟穩定持續發展起巨大作用。

隨著我國泵站工程技術的發展，江蘇省內大中型立式泵站改造工作的深入開展，水泵機組的噪聲逐漸成為影響環境的突出問題，嚴重時甚至會危害身體健康。水泵噪聲不僅僅局限于機械振動噪聲，按發聲機理還包括流致噪聲［3］。水泵機械噪聲多是由于水泵轉動部件和傳動裝置等質量不平衡、制造工藝或者安裝質量較差等因素誘發的，隨著制造工藝以及對水泵機械振動方面的認知的進步，目前水泵機械噪聲在很大程度上得到優化，因此對于水泵機械振動噪聲已無太大的改善空間。水泵流致噪聲是指泵內部流體與固體邊界相互作用以及泵內部流體的非定常流動所引起的輻射噪聲［4-7］，這類噪聲形成機理較為復雜，影響因素也較多，逐漸成為泵類流體機械降噪減振研究的關鍵。

由于沙集泵站建成時間較早，在實際運行過程中發現存在噪聲超標嚴重等問題，因此本文針對沙集泵站不同流量工況下泵內流致噪聲特性進行數值模擬分析。

1 工程概況

沙集泵站位于睢寧沙集鎮南2 km的徐洪河上，距洪澤湖72 km，1993年竣工投運，是徐洪河第二級泵站（江水北調第五梯級泵站），南水北調中運河線并行泵站。該站與沙集船閘、廢黃河北閘組成一級水利樞紐，可直接抽引洪澤湖水，在保障徐州地區工農業生產、航運、環保及調節駱馬湖水位方面起著重要的作用，同時具有分泄黃墩湖地區洪水等功能［8-9］。

該工程整體結構采用閘站結合的形式，中間為抽水能力50 m3/s的抽水站，兩側布置設計流量為200 m3/s的節制閘，全部工程按I級水工建筑物設計，抗震標準按9度地震烈度設防。

沙集泵站為堤身式塊基型結構，采用肘形進水流道，平直管出水流道，快速閘門斷流，進水流道進口設置檢修閘門，快速閘門采用繩鼓式快速啟閉機操作。安裝5臺套1800HD-10.5型立式混流泵，單機設計流量為10 m3/s，設計揚程10.5 m，抽水額定轉速是300 r/min，配套TL1600-20/2150主電機5臺，功率1 600 kW，總裝機容量8 000 kW。其水位組合和特征揚程見表1和表2。

表1 沙集泵站水位組合

表2 沙集泵站特征揚程

2 計算模型及數值模擬設置

2.1 計算模型

由于受計算資源的限制，在進行流致噪聲特性分析時，需將進出水流道簡化為進出水管道，采用UG三維建模軟件構建聲學計算模型，計算域包括進口段、葉輪、導葉、彎管和出口段5個部分，其中葉輪為旋轉部件，其余皆為靜止部件。其中設計流量為10 m3/s，泵彎管出水口徑為1 800 mm，轉速為300 r/min，葉輪葉片數為4，導葉葉片數為7。其三維造型如圖1所示。

圖1 三維造型

2.2 聲學網格劃分

由于該計算模型尺寸較大，且本文只研究泵內部聲場，為避免資源浪費，選用直接邊界元法進行聲學仿真計算。聲學直接邊界元，只需將聲學空間離散成面網格，而無論是線性有限元模型還是邊界元模型，都是假設在最小波長內有6個網格單元，即最大單元邊長要小于最高計算頻率點處波長的1/6［10-11］，因此，聲學網格的單元尺寸與計算頻率應滿足如下對應關系：

式中：L為網格單元尺寸；c為聲音在流體介質中的傳播速度；fmax為最高計算頻率。

聲音在水中的傳播速度為1 500 m/s，本文最高計算頻率為400 Hz，結合計算模型的復雜程度，最終將網格尺寸定為60 mm，滿足聲學計算要求。劃分的聲學邊界元網格如圖2所示。

圖2 聲學網格示意

2.3 數值模擬及聲學監測點設置

流致噪聲特性數值模擬建立在流場計算的基礎上，采用SSTk-ω湍流模型進行定常和非定常計算，非定常計算以定常計算為初始條件，本文為滿足后續聲學計算的要求，特將時間步長設為0.00111 s，即葉輪旋轉2°所需時長，計算8個周期，總時長設為1.6 s，取后4個周期的計算結果進行分析，以得到較為可靠的壓力脈動信號。

將聲學網格和壓力脈動數據導入到聲學軟件，建立流體材料并賦予其屬性，本文流體材料為水，其中水的密度為1 000 kg/m3，水中聲速為1 500 m/s，進行聲學網格前處理，其目的是為了檢查及修正聲學網格，以保證該網格能適應聲學直接邊界元環境。由于壓力脈動信息是附著在流體網格上的，而流場網格和聲場網格單元節點不一致，因此需將數據映射轉移到聲學網格上，并進行快速傅里葉變換。在定義扇聲源前，需將葉片分段，每一個分段相當于一個“緊致”的聲源。在進行數值計算前，定義無反射邊界條件，將模型壁面設為全反射壁面，泵進、出口設為全吸聲屬性，聲阻抗值設為ρ·c=15×105kg/（m2·s）。

通過設置聲學監測點，能夠更清晰地了解聲學計算結果，以更好地分析泵內部聲壓分布情況。聲學監測如圖3所示。其中，P1為葉輪進口監測點，P2為葉輪出口監測點，P3為導葉出口監測點，P4為彎管監測點，Inlet與Outlet為泵進出口監測點。

圖3 聲學監測點示意

3 計算結果分析

3.1 外特性驗證

沙集泵站試驗與數值模擬外特性對比見圖4。由圖4可知，數值模擬曲線與試驗曲線整體走向基本相同，吻合度較高。在0.8Qbep至1.0Qbep時，揚程計算值比試驗值大，而1.0Qbep至1.2Qbep時試驗值則大于計算值，在設計流量下，揚程計算值與試驗值達到一致，均為10.5 m。數值模擬的效率整體上是高于模型試驗的，這是由于對模型進行了一些簡化，且在計算過程中忽略了實際運行時的能量損失，在設計點時，效率達到89%，此時效率試驗值與效率計算值之間的差值小于1%。

圖4 試驗與數值模擬外特性對比

3.2 葉片偶極子聲源誘發的噪聲

針對沙集泵站，對8 m3/s（0.8Qbep）、10 m3/s（1.0Qbep）以及12 m3/s（1.2Qbep）3種流量工況下葉片偶極子聲源誘發的泵內部聲場進行對比分析。

圖5為不同流量工況下葉片偶極子聲源在各監測點的聲壓級頻率響應曲線。由圖5可知，3種流量工況下的聲壓級頻率響應曲線趨勢基本相似，各監測點聲壓級整體上隨著流量的增大逐漸減小，不同工況下聲壓級值均隨著頻率的增大呈現降低的趨勢。葉片偶極子聲源誘導的噪聲主要包括寬頻噪聲和離散噪聲，不同流量工況的聲壓級頻響曲線均呈現出較強的離散特性，離散值均出現在葉頻及其倍頻處，表明葉輪與導葉的動靜干涉作用引起的周期性壓力脈動是導致流致噪聲產生的主要原因，在20 Hz時聲壓級出現最大值，說明葉頻是流致噪聲的主頻。對比3幅圖可以發現，不同流量工況下葉輪進口監測點的聲壓級整體上均要高于其他聲學監測點，這是因為在葉片偶極子聲源的影響下，葉輪進口附近為最主要的噪聲源。

圖5 不同流量工況下葉片偶極子聲源在監測點的聲壓級頻響曲線

由圖5可知，葉輪進口監測點處的聲壓級較大，因此為進一步對比分析，做出如圖6所示的不同流量工況下葉片偶極子聲源在葉輪進口監測點（P1）的聲壓級頻率響應曲線圖。由圖6可知，小流量工況下的聲壓級值最大，設計流量工況次之，大流量工況最小，這是由于小流量工況下泵內部流動較不穩定，引起的壓力脈動更為劇烈，所以產生的流致噪聲更強。

圖6 不同流量工況下葉片偶極子聲源在P1監測點的聲壓級頻響曲線

圖7為設計流量工況下葉片偶極子聲源誘導的前三階葉頻處混流泵邊界元表面聲壓級分布。由圖7可知，在泵進口段聲壓梯度變化明顯，聲壓波動較大，聲壓級最大值均出現在葉輪進口附近，這與監測點分析結果較為一致。在進口區域還可以看到聲壓級較大值與較小值交替出現，呈現偶極子特性，隨著頻率增大，偶極子特性越來越明顯。通過對比3幅圖不難看出，隨著頻率升高，邊界元表面的聲壓級最大值與最小值都呈現出衰減的趨勢，衰減的速度隨著頻率的增大逐漸放緩。

圖7 1.0Qbep下葉片偶極子聲源邊界元表面聲壓級云圖

由圖7可知，葉頻（20 Hz）時為聲壓級值較大的頻率點，因此對該頻率點下的3種流量工況時的內聲場進行比較分析。葉頻處各工況下的邊界元表面聲壓級分布如圖8所示。對比這3幅圖可以看出，不同流量工況的聲壓級分布較為相似，彎管處的聲壓基本無明顯變化，說明此處的聲場較為穩定；小流量與設計流量時的聲壓級值相差不大，但設計流量下的最小聲壓級區域比小流量大；隨著流量的增加，聲壓級逐漸呈現出下降的趨勢，大流量下的最大聲壓級區域較其他兩種工況更小，說明此時的壓力脈動幅度較小。

圖8 20 Hz下不同流量工況葉片偶極子聲源邊界元表面聲壓級云圖

4 結語

（1）通過對沙集泵站進行聲場數值模擬可以得出，葉片偶極子聲源誘導的流致噪聲主要包括寬頻噪聲和離散噪聲，不同流量下均呈現出較強的離散特性，聲壓級離散值主要出現在葉頻及其倍頻處，主頻為葉頻（20 Hz），且隨著頻率的增加，聲壓級整體上呈下降的趨勢。

（2）在葉片偶極子聲源的影響下，葉輪進口附近為最主要的噪聲源，因此聲壓級較大值主要出現在葉輪進口附近；各監測點聲壓級整體上隨著流量的增大逐漸減小，說明小流量工況下泵內部流動較不穩定，進而引起的壓力脈動更為劇烈，導致誘發的流致噪聲更為強烈。