离心泵空化诱导噪声研究进展

司乔瑞，廖敏泉，邱 宁，梁 赟，袁建平，袁寿其

（1.江苏大学流体机械及工程技术研究中心，江苏 镇江 212013；2.中国船舶科学研究中心，江苏 无锡 214082）

0 引 言

离心泵被广泛应用于国民经济的各个部门，在国防、航天、能源、船舶和家用等流体输送领域均扮演重要角色，其作用相当于人的心脏，是关系国计民生和国家安全的战略装备[1]。由于内部流动复杂，离心泵运行过程中常伴有强烈的噪声，严重影响军事装备的隐秘性、机组运行的可靠性以及用户的身心健康[2]。但以往对离心泵的设计多注重其效率、成本和寿命，而对产品的低振动低噪声设计不够重视。因此，随着泵向高速化、大功率和高性能方向发展，降低离心泵产生的噪声已成为亟待解决的实际问题。

随着机械加工制造水平的逐渐提高，水力因素成为离心泵噪声的主要激励源。空化是一种包含相变过程的复杂流动现象，广泛存在于泵的工程实际运行中，由于多相、非线性、多尺度、瞬态和随机的特点，其流动机理至今仍未完全揭示，因此空化是水力机械领域重要的科学问题和当前关注的热点[3]。离心泵发生空化后，空泡溃灭对结构壁面形成强烈冲击，空泡体积变化引起流场压力脉动并释放声能，空化云堵塞流道。空化所引起的空蚀、振动、噪声和性能下降是制约离心泵发展的关键问题[4]。空化噪声在海军舰艇领域和民用船舶领域均备受关注，例如螺旋桨空化是产生噪音、船体振动以及螺旋桨叶片和附件腐蚀的根本原因[5]。船舶的冷却水系统、舱底压载系统、循环水系统、消防系统、排水系统和日用水系统等都会用到各种离心泵设备[6]。离心泵空化诱导噪声一方面沿管道液流传播，成为系统可靠运行的隐患，另一方面通过流场与泵体或管路结构发生强耦合作用，产生固体噪声向空气中辐射，成为重要的噪声污染源，因此对离心泵空化噪声作用机理及其抑制进行研究具有重要的学术价值和工程意义。本文将对近年来国内外在空化机理、离心泵空化不稳定流动特性、空化涡动-声响应的内在关联以及空化噪声的抑制方法等四个方面的研究情况进行总结和分析，为低噪声水力机械设计理论和主动控制提供借鉴。

1 离心泵空化水动力学实验测量研究现状

对空化的研究可以追溯到18 世纪中期，Euler 首次从理论上预言了液体的空化，一个世纪以来逐步建立起经典的空泡动力学理论[7]。离心泵内部空化以叶片前缘型空化为主，一般发生在叶片进口边。随工况的变化由游离型发展为绕叶片的附着型，包含着与对流尺度一致的空泡脉动和脱落过程以及时间尺度较对流尺度高几个数量级的空穴溃灭过程。非定常空化流动中上述两种尺度现象的流动机理是近年来国内外关注的热点问题，也一直是空化研究最重要的科学问题[8-9]。

由于空化现象的复杂性，实验一直是推动空化流动研究的基本方法，研究人员多借助水洞对不同翼型空化流场的压力、速度和蒸汽含量进行测量[3]。Kawanami等[10]在水翼表面布置了多个压力传感器来研究附着型空化的流动机理及其控制方法，准确测得了脱落的空化云诱发的压力脉动特性并提出了著名的反向射流机制。Gopalan 等[11]采用数字粒子图像测速（DPIV）测量了附着型空穴后部的流场速度，结合高速摄影实验发现脱落的空泡团溃灭造成U 型空穴涡结构并影响流场的湍流运动特性。Coutier-delgosha 等[12]采用内窥镜和X 射线结合的技术测试了片状空化向云状空化过渡状态的两相结构和含气率。国内王国玉、黄彪等[13-14]利用其小型空化水洞对水翼空化进行了大量的实验，认为附着型空化的准周期性生长、发展、脱落、溃灭等过程对涡量的输运具有重要的影响，并搭建了同步测量系统对空穴演变与流体动力的相互作用进行研究。中国船舶科学研究中心、浙江大学和海军工程大学等单位的研究团队也在空泡溃灭机理、空化监测方面取得了大量的成果。在叶片泵空化实验研究方面，美国霍普金斯大学、日本EBARA综合研究所、法国LML实验室和意大利比萨大学等均搭建了相关专业研究装置[15]。不同工况下离心泵进口叶片前缘空化不同状态下的空泡形态已逐渐被研究者掌握（如图1 所示），空化非定常诱导特性是当前测试的重点。Dular 等[16]利用PIV 及PLIF 技术对离心泵内部的空化流场进行了测量，获得了叶片周围瞬态、时均的速度场与蒸汽体积分数分布。Fu等[17]采用高速摄影和压力脉动测量技术系统分析了离心泵小流量工况下空化诱导的低频脉动特性。Bachert等[18]采用PIV 和高速摄影相结合的手段研究了离心泵隔舌处的云状空化，解释了大流量下泵性能恶化的原因。Schröder 等[19]首次提出了将数值方法与PIV 相结合的方法对平板尾缘的气动噪声进行预测。王勇等[20]研究了离心泵叶轮进口空化，初步获得了叶轮内空泡分布与泵振动噪声特性间的关系。采用热线热膜测试法（HWFA）、激光多普勒测试法（LDV）、相位多普勒粒子法（PDPA）和声学多普勒测试法（ADV）等方法可对流场速度进行测量[21]，然后求解N-S 方程可计算出离心泵噪声[22]。另外，随着试验测量手段及测试技术的不断发展，多场同步测量技术也被广泛应用于空化非定常流动的研究中，笔者认为搭建如图2 所示的离心泵多场同步测试实验台并开发多场同步测量平台可对噪声、压力和速度等瞬态物理量进行同步测量，进而可全面分析不同空化条件下离心泵的噪声特性和声学表征参数以及空化噪声在不同空间尺度与时间尺度上表现出来的动态行为。

图1 不同工况下离心泵叶片前缘空化形态Fig.1 Cavitation pattern of blade leading edge of centrifugal pump under different working conditions

图2 离心泵多场同步测量实验台示意图Fig.2 Schematic diagram of multi-field synchronous measurement test bed for centrifugal pump

2 离心泵空化水动力学数值模拟研究现状

尽管空化实验研究已经取得了巨大的成果，但由于泵结构复杂，在测量全流道速度场、反射流形成的涡旋结构及其对流场的影响机制方面仍存在一定的困难。近年来随着计算机性能不断提升，数值模拟方法被广泛应用于离心泵空化数值模拟，数值计算技术的发展以及数值模拟的优点在某种程度上对实验的缺陷进行了较好的补充。

空化流动计算涉及到空化模型和湍流模型，前者表达了质量传输过程，后者表达了动量传输过程。研究空化问题的关键是准确描述这两个传输过程，目前基于N-S 方程和质量输运方程的空化模型是空化流动数值计算的主流，以Schnerr-Sauer、Singhal和Zwart等空化模型为代表，使用最为广泛[3]。Singhal等[23]提出的完全空化模型不仅考虑了两相流气泡动力学、相变率对空化的影响，也考虑了湍流脉动、不可凝结气体、液体表面张力等的作用，对空化研究起到较大的推动作用。为了能更好地反映空化的微观行为，Hsiao 等[24]提出了一种基于欧拉-拉格朗日耦合方法的多尺度空化模型，不需要对相间的质量输运进行任何假设，转而对自由空化核和固壁空化核进行模化处理。洪峰[25]基于液相、空泡相、不可凝结气体的三种组分的连续性方程以及均相流假设构建了一种非线性空化模型，并对轴流泵内的空化流动进行了计算。鉴于不可压缩流动空化模型存在的缺陷，Gnanaskandan 和Mahesh[26]发展了一套考虑气液混合物可压缩性的空化模型，并给出了不同组分含量混合物的声速表达式，较好地捕捉到了空化可压缩引起的激波现象。在湍流模型研究方面，钱忠东等[27]采用Singhal提出的空化模型，比较了标准k-ε模型、RNGk-ε模型、Realizablek-ε模型和代数应力模型对空化流动模拟的影响。Bensow 和Bark[28]提出了一种隐式LES亚格子模型，成功捕捉到了螺旋桨空化流动的诸多现象，认为基于该模型可以对空蚀、噪声等进行数值评估。Ji等[29]采用大涡模拟对扭曲三维翼型的空化绕流问题进行研究，通过分析涡团传输方程揭示了空化流与涡团的相互作用关系。王福军[30]探索了针对不同求解目标引用不同湍流模型的有效途径和方法，认为各类尺度解析模拟模型（类似于SAS和DES的组合模型）既能够捕捉细小的湍流涡，又具有较高的计算效率。Wang 等[31]建立了一种考虑旋转效应、大曲率结构特征和液体可压缩的RZGB 空化模型，对离心泵内的空化流场进行了研究。但以上模型涉及蒸发和凝结源项的经验系数，对物理问题具有一定的依赖性。Senocak 等[32]提出的基于界面追踪思想的空泡界面动力学模型从理论上消除了经验系数对空化模型的影响，对空穴交界面的预测较准，在泵空化预测方面潜力很大。空化模型与湍流模型的的修正对离心泵非定常空化流动数值模拟结果的准确性起着至关重要的作用。

3 离心泵空化流动的声响应特性研究现状

声音是伴随空化发生的一种重要物理现象，空泡的初生、发育和溃灭等过程都会生成噪声。一方面，空化噪声恶化工作环境、影响舰船隐蔽性；另一方面，由于准确度高、使用便利，工程上也常用空化的声响应特性如借助传声器进行空化发展状态判断或进行空化机理研究。Reisman 等[33]研究了云状空化的动力学特性和声学特性，认为空化云破裂形成的冲击波是决定噪声和材料破坏的关键因素。Callenaere 等[34]研究了振荡水翼表面空化云的形成及破裂时所包含的复杂流动形式，认为其比非振荡流动产生更强的噪声和破坏，空化强度可以由噪声的强度来量化。

对空化噪声的理论研究基本都建立在单空泡溃灭动力学基础上，Fitzpatrick 和Strasberg[35]是最早基于Rayleigh 方程建立空化噪声模型的研究者，通过建立空泡体积变化和噪声间的关系，发现空化噪声谱密度函数正比于频率的四次方。单一游移空泡会产生包含多个脉冲和峰值的声信号，当空泡数量足够多时，空化噪声会受到泡与泡之间相互作用的影响，此时的空化噪声为空泡云所辐射的噪声。黄景泉等[36]认为空化噪声的强度取决于空泡产生的数量和空泡溃灭速度这两个因素。Chudin[37]认为噪声谱结构可以用来诊断离心泵空化初生，尤其是观测1/2 叶片通过频率处的声压级大小，泵噪声级随NPSHa 减小先增大，达到极值后再减小。司乔瑞等[38]也实验观察到此现象并研究了不同叶轮隔舌间隙对离心泵空化性能的影响，发现流动噪声声压级随着空化系数的减小而逐渐增大（图3），减弱的动静干涉作用有助于减小空化噪声。

图3 模型泵噪声声压级随NPSHa变化[38]Fig.3 Noise level of model pump variying with NPSHa[38]

随着计算机科学的飞速发展，信号处理技术的引入推动了空化诱导特性的分析。在非平稳信号处理方面，近年来发展了不少有效方法，如Huang等[39]提出了经验模态分解（EMD）方法，并分析了Hil⁃bert-Huang变化（HHT）基本依据，为信号处理开辟了新的途径。蒲中奇等[40]提出了一种基于小波奇异性理论的空化监测方法，观测了额定工况下水轮机转轮内的涡带形态和空化发展情况。刘承江等[41]利用噪声信号和最小二乘支持向量分类机进行喷水推进器空化监测。Georgios 等[42]发展了基于声发射技术和振动加速度分析的空化监测方法，研究了离心泵不同叶轮几何参数对空化状态的影响。Sun等[43]采用循环谱分析方法，对离心泵空化条件下的电机非平稳电流信号提取频率特征分量，作为故障的表征指标，对声响应分析具有较好的借鉴。空化的检测对泵的运行和稳定性尤为重要，Dong等提出了基于小波包分解（WPD）与主成分分析（PCA）和径向基函数（RBF）神经网络相结合的方法[44]和基于流体噪声诊断[45]的两种离心泵初生空化检测方法。Čudina 和Prezelj[46-47]在研究中发现噪声频谱中的147 Hz特定频率与泵的空化现象有关，并且比传统的扬程下降3%判定方法更准确。空化噪声信号的提取仍是空化初生判断的重点。

4 离心泵流动诱导噪声激励机制的研究现状

按照发声机理，离心泵空化诱导噪声是一种包含复杂相变的流致噪声问题，主要由非定常流动引起，包括运动流体与固体边界的耦合、流体间的相互干涉以及流体内部的不稳定流动等。流动中的小扰动可依据特征值分解为声波、涡波和熵波，前者以声速传播，后两者以背景流动平均速度传播。自从20世纪50年代Lighthill做出开创性工作以来，声比拟思想一直是学者们研究流体发声机理的主流，即在非稳态流场中用一系列分布式的等效声源（单极子、偶极子、四极子三类）来代替这些非均匀性对声音传播的影响[48]。与此同时，噪声测量与数值模拟技术也快速发展并在泵流动诱导噪声研究方面得以应用和推广。在叶片泵非空化原因引起的噪声研究中，Chu 等[49]提出了一种利用粒子位移测速（PDV）获得离心泵内部流场压力分布的方法，结合声场测量，认为叶轮出口的不均匀流动以及叶片和隔舌间的动静干涉作用是引起泵远场噪声的主要原因。Jiang 等[50]采用一种考虑流体-结构声学耦合作用的数值模拟方法预测了某多级离心泵蜗壳的受迫振动和辐射噪声，并解决了流体和结构网格间的匹配交换问题。国内对叶片泵流动诱导噪声的研究起步较晚，工作开展得较多的主要有江苏大学、浙江大学、哈尔滨工程大学、海军工程大学以及船舶和航天技术领域的研究院所等。司乔瑞[51]采用无源四端网络法实验测量了离心泵不同运行工况的声源特性，基于Lighthill 声比拟理论建立了CFD/CA流动诱导噪声数值预测方法并对某离心叶轮进行了声优化。林刚[52]进一步完善了相关计算方法并将其拓展至多级离心泵辐射噪声计算。Gao等[53]对湍流模型进行了深入研究，采用LES流场模拟方法对多工况下离心泵的流动诱导噪声进行了准确预测。余昊谦等[54]利用基于CFX 和LMS Virtual Lab 软件的声学边界元相结合的方法，研究了漩涡自吸泵内部压力脉动和产生的噪声，并利用涡轮叶片尾缘的锯齿结构对叶片进行优化。研究者也从涡的角度对流场进行了大量研究，Powell[55]将涡量引入Light⁃hill方程，并进一步研究了涡运动和声产生之间的联系，提出了涡声理论。而后，Howe[56]在Powell方程的基础上，考虑了熵变化和平均流对流动发声的影响，使涡声理论得到重大发展，进一步揭示了流动发声的机制，运用涡声理论来分析离心泵的噪声问题成为一种更加有效可行的方法。无空化条件下叶片泵流动诱导噪声的理论、实验测试和数值求解方法均已取得了长足的发展，受迫湍流多重尺度涡的生成、发展、干涉和分裂等演化过程中流动-声能量的转换和激励机制是当前研究的热点。

由于空化产生的空泡在体积上存在脉动，因而可视作辐射能力最强的单极子声源。Wu等[57]采用SSTk-ω湍流模型和Zwart 空化模型对船用螺旋桨流场进行了数值模拟，并基于声比拟理论对空化流场内桨叶表面压力脉动和空泡脉动两种声源进行了声传播计算，但与实验测试仍存在一定的误差。付建等[58]基于点源模型计算了螺旋桨空化噪声，计算模型与Ffowcs Williams-Hawkings（FW-H）方程计算结果基本吻合，说明点源模型计算螺旋桨在自由场条件下的空化噪声是适用的。基于声比拟理论，采用LES湍流模式与FW-H 声学模型组合能够一定程度上模拟流场及噪声辐射，但存在流场、声场信息获取不全、声场和流场物理耦合作用机理解释不清和计算精度不高等缺点。可压缩N-S 方程描述了所有空化水动力声学现象：水动力噪声产生、水动力场和声脉动场间的相互作用以及声波传播。不同于计算流场平均量的常规CFD 方法，空化噪声数值预报面临噪声频带宽、水动力/声能量不对等和多尺度等问题。戚定满[59]认为空泡噪声是一个非线性动边界的声辐射问题，提出了一种体现声音传播延迟效应和液体压缩性对声压峰值影响的混合边界元法对空泡溃灭过程辐射的噪声进行了计算。Mao等[60]引入了一种可同时描述流体物理状态及其在界面上非连续特性的广义函数，揭示了界面张力和密度差对声产生、传播的影响，解释了水下存在气泡时噪声明显增强的原因。李环等[61]介绍了能考虑多场耦合效应的声边界条件法及其在水动力噪声方面的应用。笔者认为有效的离心泵空化噪声预测流程如图4所示，采用声学边界法将整个流场划分为如图4（a）所示的声近场和声远场两部分：声近场包括声源区域，即流场区域，描述声的非线性产生过程，包括声与流动的相互作用（声的散射、输运、衰减等）过程以及流动与结构的相互作用；另一部分为描述声传播过程的声远场。计算时，结合开发的空化模型和LES方法进行流场求解，然后将流场计算的声源信息映射到叶轮的进出口作为面声源，最后将脉动流场和映射的面声源一起基于声边界条件法进行流-固-声多场耦合的声传播计算，流程如图4（c）所示。

图4 离心泵空化噪声预测流程图Fig.4 Flow chart of centrifugal pump cavitation noise prediction

5 离心泵空化诱导噪声抑制的研究现状

长期以来，国内外研究人员对空化噪声抑制的研究从未中断，研究人员借助数值模拟和实验的手段在水力机械空化噪声抑制方面做了深入研究，并且取得了一定的研究成果，目前通常采用被动控制和主动控制的方法来抑制和延缓空化的发生，以及进行仿生设计从而达到降低空化噪声的效果。鉴于离心泵等水力机械的几何外形及内部流场相对复杂，直接研究其内部空化的演变规律及抑制空化的方法存在一定的难度，因此研究人员对几何外形相对简单的水翼进行空化特性的研究，可以为离心泵等水力机械抑制空化技术提供思路和有价值的参考。对于水翼而言，目前抑制其发生空化的方法主要有：在水翼表面布置射流水孔[62]，在水翼吸力面设置凹槽[63]，在水翼表面施加粗糙带[64]，在水翼表面布置障碍物[65]以及在水翼表面布置气泡发生器[66]，这些方法均可有效抑制和延缓空化的发生进而起到降噪的效果。Yu 等[67]采用改进的湍流模型和Zwart 空化模型对水翼周围的空化演化及其诱导噪声进行了数值计算，为控制空化噪声提供了理论依据。王桂鹏[68]基于仿生学原理，通过在水翼吸力面布置仿生鱼类尾鳍鳍棘结构优化流场结构，对空化起到了抑制作用。陈柳等[69]提出将座头鲸鳍肢前缘凸结结构引入叶片设计，以水翼为研究对象，针对凸结对叶片空化的控制机理展开研究，结果表明该类结构对水翼空化的控制具有一定的效果。

对于泵而言，赵伟国等[70-72]提出在离心泵叶片压力面开槽、在叶片工作面布置障碍物、在后盖板布置粗糙带等方法，为离心泵内部空化控制和优化设计提供了参考。陈红勋等[73]提出了缝隙引流叶轮，使抗空化性能相对于传统离心泵大幅提升。Guo 等[74]通过观察气泡的发生、发展和溃灭过程，清晰地阐明了带有分流叶片诱导轮的高速离心泵的气泡产生机理和抗空化性能。Yoshida 等[75]通过对四叶片诱导轮进行可视化试验，发现通过应用交替的叶片前缘后缩可抑制旋转空化的发生。牟介刚等[76]通过使用长短交错叶片改变进口流态，抑制了离心泵内部空化的发生。罗先武等[77]通过优化叶轮进口几何参数，使叶轮进口流动均匀化，明显改善了离心泵的空化性能。Guo 等[78]研究了进口导叶对轴流泵空化性能的影响，认为正导叶角可以改善空化性能，而负导叶角则阻碍了空化性能的提高。王洋等[79]研究了低比速离心泵叶片进口开缝的影响，发现选择合理的开缝宽度和角度不但可以提高泵的效率，而且可以提高其空化性能。一些特殊结构的泵和叶片形式也具有良好的抗空化性能，如图5 所示的圆盘泵由于具有良好的抗空化性能，在航空航天小流量泵应用领域具有一定优势[80]。国内外也一直致力于研制超空化翼型，且试验表明，在空化状况下，超空化泵的性能明显优于普通水泵[81]。

图5 圆盘泵结构示意图Fig.5 Diagram of disc pump structure

6 总结与展望

本文从五个方面综述了空化噪声的研究进展，认为离心泵空化噪声的实验测量、离心泵空化水动力学数值模拟、空化诱导噪声特性和噪声激励机制以及噪声抑制的研究仍存在以下问题需要解决：

（1）离心泵发生空化后噪声级大幅上升且呈现出明显的宽频特性，但流场、结构场和声场之间的能量转换机制仍未明晰，多场同步测量技术在离心泵空化研究方面的应用仍有待拓展。若要全面分析不同时间与空间尺度上表现出的动态行为，需要构建多场同步测量实验平台，并结合新型可视化技术和现代信号处理技术来进行研究。此外，X 射线密度测量系统可以清晰地辨识空化内部流动结构，因此测定空化流场中蒸气的分布对揭示离心泵内部空化流场结构具有重要意义，可以进一步促进人们对离心泵空化流动机理的认识。

（2）空化模型和湍流模型对空化数值计算至关重要，国内外研究者已在翼型绕流空化研究的基础上对叶片泵空化进行了长期的研究，但仍缺乏对非定常空化流动中两种尺度现象的综合分析，旋转对附着型空化特性的影响还未明晰，空化条件下离心泵内受迫湍流的多重尺度涡结构的时空演化特征仍未揭示，空化与漩涡之间的交互作用机理仍不明确，同时离心泵内部空化行为存在多尺度性、可压缩性以及群泡效应等特性，这些将是今后离心泵空化流动研究的热点与难点问题。随着计算机技术的迅速发展，开发考虑非线性水动力学问题的空化模型和LES 方法是当前离心泵空化研究中需要解决的重要科学问题。

（3）空化条件下离心泵内部噪声的产生机理、声场的时空分布特性及演变规律和噪声传播机制等问题尚未解决，掌握空化初生和不同空化发展阶段的声学特性对研究离心泵空化机理和空化噪声激励机制至关重要。但由于泵内空化流场的流动结构复杂，建立空化涡动-声响应的映射关系的干扰因素较多，亟需结合数值模拟结果引入新的信号处理方法来解决传统声信号分析的不足。同时，空化噪声特性归纳方面也亟需引入新的信号处理方法来解决多脉冲、多峰-值及多干扰等问题。抗噪性能良好的循环平稳分析方法和基于EMD 方法的声信号去噪处理技术在非平稳和非线性的空化噪声研究中潜力巨大。此外，综合考察流-固-声耦合作用的声边界条件法是目前计算流动诱导噪声最全面的方法，能满足空化噪声预测的需求。由于当前对离心泵空化噪声的数值模拟研究鲜有报道，因此我们可以借鉴螺旋桨空化噪声数值模拟研究方法，为离心泵空化噪声的数值模拟研究提供指导。

（4）通过合理的叶片结构设计或采取被动措施能有效地抑制某工况下的空化噪声，但对其流动控制机理及对空化发生的机制和演变过程仍缺乏深入的研究。仿生技术、超空化泵以及圆盘泵等的研究和开发是降低或避免空化噪声产生的新途径。