海洋泵流动诱导外部辐射噪声的数值研究

《Ocean Engineering》：Numerical investigation of flow-induced external radiated noise in marine pumps

　　

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  提出了一种耦合模态方法用于预测外部辐射噪声。
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  计算资源消耗降低了三分之一，误差不超过0.11%。
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  在1.3Q_d工况下，主导噪声源从叶轮偶极子转变为壳体偶极子。

引言

船用泵是船舶系统中的关键辅助设备，广泛应用于推进、压载水控制、消防和循环冷却等系统。其运行状况直接影响船舶的安全性、可靠性和声学性能。由于船上空间受限且结构布局复杂，船用泵产生的噪声容易在舱室内发生反射和叠加，这不仅恶化了工作环境，还削弱了水下声学隐身性能。

船用泵产生的噪声可分为机械结构噪声、电磁力激励噪声和流动诱导噪声。机械噪声主要源于结构缺陷和机械激励，如转子不平衡、轴承磨损、联轴器不对中和齿轮啮合冲击（Fu等，2024；Cui等，2025；Wang和Luo，2025；Luo等，2021），通常在中低频段表现出窄带特征。随着制造精度的提升，现代泵中的机械噪声已得到有效抑制（Kunz和Newkirk，2009）（Wu和Shen，2011）。电磁噪声存在于配备电动机驱动的泵中，由电磁力引起的定子、转子和壳体结构振动产生。其频率分量主要与电机供电频率及其谐波相关（Park等，2023）。与其他噪声源相比，电磁激励较弱，对整体声辐射的贡献较小。流动诱导噪声由泵内水动力学现象引起的结构振动和声辐射产生，包括非定常流动、涡脱落、压力脉动和空化现象（Gangipamula等，2022）（Gu等，2025）。由于其宽带谱特征和对运行条件的强依赖性，流动诱导噪声已逐渐成为船用泵中的主导噪声源。其产生机理不仅受水力设计参数的影响，还受进出口边界条件、载荷变化以及泵内复杂非定常流结构的影响（Chu等，1995a，1995b；Lu等，2022）。

在高速和偏离设计工况条件下，流动分离、二次流和空化会产生强烈的压力脉动和宽带噪声（Dong-wei等，2023）（Si等，2023），并通过泵壳和管道系统传播到外部声场（Langthjem和Olhoff，2004）。Guo等（Guo和Gao，2020）研究表明，增大叶片出口角可以降低流动-声场耦合效应，从而削弱流动诱导噪声。Yuan等（2012）通过实验发现，泵噪声随流量的增大先减小后增大。非定常流动与叶片尾缘相互作用，在叶片表面产生周期性压力脉动，从而产生流动噪声（Choi等，2003）。辐射噪声频谱以宽带驼峰为特征，并与谐波分量相关。Ma等（2022）研究了轴不对中对接船用离心泵噪声的影响，综合比较了轴心轨迹、振动噪声频谱和1/3倍频程频谱分布特征。Zhao等（Zhao和Chai，2024）提出增大环形间隙可以增加结构振动，但对外部声场的声压级（SPL）影响甚微。Zhou等（2023）证明泵的结构和运行条件会影响外部辐射噪声的方向性。Wu等（2025）提出控制进口气体体积可以提高船用离心泵的稳定性和声学性能。他们发现，叶轮流道内气体均匀分布可以缓解转子-定子干涉，有效降低低频流动噪声。Cheng等（2023）提出增大蜗壳进口的基圆直径可以降低各特征频率下的流动噪声。尽管这些研究显著提升了人们对内部流动诱导噪声机理的认识，但大多数研究集中在内部声场行为或振动响应上，而外部辐射噪声的预测仍然是一个挑战。

泵的噪声数值预测通常涉及耦合CFD/FEM/BEM和模态声学传递方法（Liu等，2014）（Citarella等，2007）。尽管这些方法可以描述流-结构-声场耦合，但内部流动激励所需的精细网格与大型外部声学计算域之间的巨大差异导致计算成本高昂。分离内部和外部声场还需要考虑通过泵壳的声音传递。已有研究表明，壳体几何形状、材料阻尼和流-固耦合会影响声音传递和声辐射（Oliazadeh和Farshidianfar，2017）（Marsick等，2021）。

为解决上述问题，本研究首先利用平板隔声理论评估了泵内噪声的传递和隔声特性。提出了一种耦合模态方法，在不进行全尺度振动-声学耦合模拟的情况下高效预测外部辐射噪声。研究了不同流量条件下叶轮偶极子、壳体偶极子、流动激励和轴传递力所产生的噪声的频谱特征、空间分布和声学方向性。最后，量化了这些声源对总辐射声功率的贡献。本研究将为船用泵的降噪设计提供理论基础和方法支撑，对提升船舶声学隐身性能具有重要的工程价值。

章节摘要

CFD计算域与边界条件

该船用离心泵的主要设计参数如下：设计流量Q_d = 25 m³/h，额定转速n = 2950 r/min，扬程H = 32 m，比转速n_s = 66.69。叶轮进口和出口直径D₁和D₂分别为65 mm和165 mm，出口宽度b₂ = 7 mm，叶片数z = 6。如图1所示，计算域由进口管道、叶轮、间隙区域、蜗壳和出口管道组成。在

实验验证

为验证外部声场数值模拟的准确性，采用WAA5688手持式声级计测量了距叶轮中心1 m处N2点的声压。表2列出了不同声源产生的外部声场噪声的OASPL与测试结果的对比。四种声源噪声贡献叠加得到的OASPL与实验结果趋势一致。在两种情况下，

结论

本研究调查了由叶轮偶极子、壳体偶极子、流动激励和轴传递力产生的外部声场噪声的声压频率响应和空间分布特征。进一步探讨了不同噪声源对外部声场噪声的相对贡献。

该船用泵表现出较强的隔声性能，隔声量超过30 dB。具体而言，1f_APF和1f_BPF处的隔声量分别为

CRediT作者贡献声明

马启江：项目管理，经费获取。周润泽：项目管理，经费获取。董如宝：原稿撰写，数据整理。姜永明：软件。董亮：资源，概念构思。王凯：资源，概念构思。刘海林：方法论，概念构思。

数据可用性

支持本研究结论的数据可在合理请求下从通讯作者处获取。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

作者感谢以下项目的资金支持：江苏省基础研究计划（BK20251086）、国家外国专家项目（H20250156）、江苏省青年科学人才支持计划（JSTJ2025660）、滁州学院科研启动基金项目（2023qd21）、安徽省教育厅科研项目（2025AHGXZK30388）、安徽省制造业"顶尖挑战赛"研究项目（JB25251）。

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