雙級滑閥式真空泵排氣系統結構噪聲預測

　　基于大渦模擬和聲學(xué)類(lèi)比理論相結合的方法對雙級滑閥式真空泵排氣系統結構噪聲進(jìn)行預測，根據預測結果分析噪聲分布規律及氣動(dòng)噪聲聲場(chǎng)特性。通過(guò)CFD 數值模擬計算，對排氣系統結構管道不同截面測量點(diǎn)的壓力進(jìn)行了頻譜分析，對比了不同監測點(diǎn)聲壓的特點(diǎn)。通過(guò)數值模擬計算，預測值和試驗數據良好吻合。結果表明，變截面結構的排氣系統的主要噪聲源來(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)具有對稱(chēng)性；雙級滑閥泵排氣系統氣動(dòng)噪聲能量主要集中在1000 Hz 以?xún)�，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。

　　滑閥式真空泵結構簡(jiǎn)單、性能可靠，造價(jià)低廉，是一種生產(chǎn)量大、應用面很廣的真空獲得設備。但是，該泵的噪聲和振動(dòng)大，不但對環(huán)境造成不利影響而且也會(huì )減少真空系統的壽命，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)自泵轉子的不平衡運動(dòng)產(chǎn)生的諧波機械噪聲和高速高壓的油氣的沖擊噪聲。近年來(lái)國內滑閥泵研究對減振降噪方面已經(jīng)取得了顯著(zhù)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”，這是油封式機械真空泵所特有的共同的現象，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://likelearn.cn/)認為對排氣系統即排氣管道進(jìn)行變截面的結構設計，不失為一種有效降噪的方式。

　　因此研究排氣系統的發(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)生雷諾應力、剪切力，形成可見(jiàn)尺度的渦旋即湍流流動(dòng)，從而導致空氣發(fā)聲，由此可見(jiàn)其排氣系統發(fā)聲原理是極其復雜的，通過(guò)理論計算的方法很難獲得聲場(chǎng)的具體分布。但隨著(zhù)計算流體力學(xué)( CFD) 的快速發(fā)展，通過(guò)對滑閥泵的排氣系統建立模型，利用有限元方法對模型的近場(chǎng)流場(chǎng)進(jìn)行數值模擬，并在此基礎上進(jìn)行滑閥式真空泵排氣過(guò)程聲場(chǎng)遠場(chǎng)計算，獲得滑閥泵排氣腔空間聲壓的分布情況，實(shí)現對滑閥泵排氣系統的氣動(dòng)噪聲進(jìn)行預測。

　　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排氣系統的流場(chǎng)進(jìn)行數值分析和預測，首先，排氣系統近場(chǎng)流場(chǎng)是非定常湍流流場(chǎng)，通過(guò)大渦模擬方法計算獲得壓力和速度分布信息；然后基于FW-H 方程模擬遠場(chǎng)氣動(dòng)噪聲，并對測量點(diǎn)的聲場(chǎng)進(jìn)行分析。最后，與試驗結果相互印證，驗證數值計算結果的正確性。本文通過(guò)數值模擬結果分析變截面管道流場(chǎng)空腔內的噪聲規律及其氣動(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、排氣系統近場(chǎng)流場(chǎng)的數值模擬

　　首先對排氣系統近場(chǎng)流場(chǎng)進(jìn)行計算，它是排氣系統的噪聲預測即遠場(chǎng)聲場(chǎng)計算的前提和基礎。大渦模擬是一種通過(guò)精確計算一定湍流尺度的運動(dòng)，從而能夠計算湍流中許多非穩態(tài)、非平衡過(guò)程中出現的大尺度效應的方法，排氣系統的近場(chǎng)流場(chǎng)屬于非穩態(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(chǎng)生產(chǎn)的2H-150 型滑閥式真空泵的排氣結構如圖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構圖

　　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所示的兩節串聯(lián)的空腔結構。

圖2 排氣腔簡(jiǎn)化結構圖

　　由于圓管具有對稱(chēng)性，因此本文建立了如圖2的二維模型，在直角坐標系下劃分結構網(wǎng)格，進(jìn)行非定常湍流流場(chǎng)值模擬。對模型進(jìn)行了如下的條件設置：

　　(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長(cháng)深比為1.2，第二節空腔模型長(cháng)深比為3，擋油罩的長(cháng)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。本文模擬計算最大氣流沖擊對排氣系統的結構噪聲預測，忽略氣流速度壓力的變化，取常值，設定油氣混合流體沖擊速度v 值為30 m/s，馬赫數是0. 0294，基于排氣腔直徑的雷諾數Re 為2 × 10⁵。

　　(4) 設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

　　為滑閥泵排氣系統二維模型劃分計算網(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，具有完整的結構，同時(shí)節約大量的內存和時(shí)間。整個(gè)流場(chǎng)計算區域采用非均勻網(wǎng)格劃分，將空間劃分為6 個(gè)計算區域，采用約15 萬(wàn)的結構網(wǎng)格。對靠近排氣腔變截面處的網(wǎng)格劃分加密，遠離變截面處的區域網(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)計算區域網(wǎng)格劃分示意圖。設定氣體從左測流入，向右上和右下噴出，設置邊界類(lèi)型，入口條件為速度進(jìn)口( velocity-inlet) ，右側的兩個(gè)出口均設置為壓力出口( pressure-outlet) 。其余的邊界設置為管壁邊界條件，包括無(wú)滑移、絕熱壁面條件和柯西黎曼無(wú)變量無(wú)反射遠場(chǎng)邊界條件。

圖3 部分聲場(chǎng)計算區域網(wǎng)格劃分示意圖

2、結論

　　本文利用計算流體力學(xué)大渦模擬和聲學(xué)比擬理論( FW-H) 方法對滑閥式真空泵變截面管道排氣腔氣動(dòng)噪聲進(jìn)行數值分析及預測。通過(guò)對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論：

　　(1) 計算結果表明，預測值與試驗測量值基本吻合，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(zhù)速度的增加，流體沿壁面改變運動(dòng)方向，脫體渦快速生長(cháng)快速脫落，成為主要噪聲源。

　　(3) 排氣空腔聲壓級在低頻時(shí)幅值最大，主要噪聲能量集中在1000 Hz 以?xún)�，與文獻實(shí)驗結論一致。同時(shí)，排氣空腔低頻聲場(chǎng)在遠場(chǎng)具有明顯輻射指向性，并且由此認為脫體渦導致的脈動(dòng)載荷屬于偶極子流體動(dòng)力聲。而在高頻率的寬頻區沿著(zhù)遠場(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化遠壁面處聲壓級最大，為降低噪聲指明了方向，為工程實(shí)驗提供數據參考。