基于Fluent與Virtual Lab發(fā)動機(jī)風(fēng)扇氣動噪聲的聯(lián)合仿真

王惠茹，呂國坤，鄭泉

（安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，安徽 合肥 230036）

基于Fluent與Virtual Lab發(fā)動機(jī)風(fēng)扇氣動噪聲的聯(lián)合仿真

王惠茹，呂國坤，鄭泉

（安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，安徽 合肥 230036）

以某款發(fā)動機(jī)風(fēng)扇為研究對象，采用數(shù)值模擬方法，應(yīng)用Fluent和LMS Virtual Lab分別模擬發(fā)動機(jī)風(fēng)扇流場和聲場分布。將計算結(jié)果與半消音室內(nèi)的風(fēng)扇測試噪聲進(jìn)行對比，驗證了聯(lián)合仿真計算風(fēng)扇噪聲方法的準(zhǔn)確性。在工程實際中可用于對風(fēng)扇性能的初步檢測，可以為下一步風(fēng)扇的優(yōu)化提供技術(shù)依據(jù)。

風(fēng)扇；氣動噪聲；CFD仿真

風(fēng)扇作為一類重要的葉輪機(jī)械，廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)，近年來人們也越來越關(guān)注風(fēng)扇噪聲的產(chǎn)生、傳播及治理。冷卻風(fēng)扇是冷卻系統(tǒng)中非常重要的零部件，冷卻風(fēng)扇的效率和性能是整個冷卻系統(tǒng)的性能評價的重要指標(biāo)之一。

就目前國內(nèi)外研究現(xiàn)狀來看，在風(fēng)扇噪聲領(lǐng)域產(chǎn)生了很多研究成果，形成了相當(dāng)完善的理論體系。過去氣動噪聲的研究主要源于經(jīng)驗?zāi)Ｐ?、公式的積累，無論是風(fēng)扇的設(shè)計還是性能評價，都是建立在實驗的基礎(chǔ)之上。Khelladi，S等人建立了一個空氣聲學(xué)基礎(chǔ)模型，并運(yùn)用霍金方程預(yù)測偶極子和單極子在噪聲頻域里的聲調(diào)［1］。Gerard，A等人通過實驗研究在風(fēng)扇前使用單個揚(yáng)聲器對于降低噪聲的可行性［2］。Sorguven等對風(fēng)機(jī)風(fēng)扇進(jìn)行降噪優(yōu)化，建立雷諾平均n-s方程模型，運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法評估預(yù)測噪聲級和風(fēng)扇性能［3］。王斌、吳錦武、陳志軍以某 4缸發(fā)動機(jī)為例，采用聲壓測試的方法，證明了風(fēng)扇的噪聲主要是高頻噪聲，解釋了噪聲的產(chǎn)生機(jī)理并提出相應(yīng)的降噪措施［4］。

然而，試驗研究這種方法設(shè)計周期長、成本高，產(chǎn)品質(zhì)量也不理想。隨著仿真計算方法以及計算技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值仿真已經(jīng)成為氣動噪聲仿真、預(yù)測、降噪的新手段。Liu，Q.運(yùn)用大渦流理論數(shù)值模擬離心風(fēng)機(jī)風(fēng)扇的噪聲分布［5］。伍文華、杜平安等采用流體力學(xué)計算軟件F1uent和LES大渦模型對軸流風(fēng)扇氣動噪聲進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了軸流風(fēng)扇氣動噪聲產(chǎn)生機(jī)理，驗證了仿真方法的正確性，結(jié)果表明：LES湍流模型能夠準(zhǔn)確預(yù)測氣動噪聲，滿足工程應(yīng)用要求［6］。

在整理了前面所有理論的基礎(chǔ)上，運(yùn)用聯(lián)合仿真的方法數(shù)值模擬風(fēng)扇的流場與聲場的分布，即以某款發(fā)動機(jī)風(fēng)扇為研究對象，運(yùn)用F1uent計算其穩(wěn)態(tài)壓力場，將其作為邊界條件導(dǎo)入到 LMS Virtual Lab中，利用acoustic模塊計算其氣動噪聲。最后將數(shù)值仿真結(jié)果與試驗結(jié)果進(jìn)行對比以驗證仿真方法的準(zhǔn)確性。

1 Fluent的流場仿真

1.1 模型的建立

由于風(fēng)扇的有限元模型直接決定計算結(jié)果精度，故而要對風(fēng)扇有限元模型進(jìn)行幾何清理，將一些對風(fēng)扇流場和聲場影響的小區(qū)面以及幾何特征去掉，清理完成后三維模型如圖1所示。

圖1 CFD仿真模型圖

按照風(fēng)扇試驗標(biāo)準(zhǔn)生成流體區(qū)，模型圖如圖2所示；仿真模型共分入口區(qū)、出口區(qū)、流體區(qū)和管道區(qū)4個部分。入口區(qū)流場長度為風(fēng)扇直徑的10倍［7］，出口區(qū)應(yīng)為7倍以上?？紤]到誤差影響，風(fēng)扇的流體旋轉(zhuǎn)區(qū)的直徑要盡可能接近風(fēng)扇葉片外徑。取風(fēng)扇的直徑為300mm，故將入口流場與出口流場的長度均設(shè)為3000mm。

圖2 邊界區(qū)域的劃定

在數(shù)值計算中，計算網(wǎng)格的質(zhì)量直接決定著計算結(jié)果的準(zhǔn)確度?？紤]到風(fēng)扇仿真模型的復(fù)雜性，采用分區(qū)劃分網(wǎng)格的方法：出、入口的網(wǎng)格尺寸最大，流通區(qū)的網(wǎng)格稍微小點(diǎn)，旋轉(zhuǎn)區(qū)的網(wǎng)格最細(xì)致。使用四面體網(wǎng)格對模型進(jìn)行離散，得到2273705個單元、462163個節(jié)點(diǎn)，風(fēng)扇流場網(wǎng)格如圖3所示，旋轉(zhuǎn)區(qū)網(wǎng)格如圖4所示。

圖3 風(fēng)扇流場網(wǎng)格

圖4 旋轉(zhuǎn)區(qū)網(wǎng)格

在風(fēng)扇計算域中，主要邊界條件有進(jìn)口邊界條件、出口邊界條件和壁面邊界條件。在仿真過程中，壁面流體區(qū)是唯一能夠定義“動”的區(qū)域，用于定義風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。

1.2 邊界條件的設(shè)定

在進(jìn)行仿真分析前，要在F1uent中對各邊界條件進(jìn)行設(shè)定。在進(jìn)口給定流動總壓為大氣壓力，流動方向為沿軸向進(jìn)氣。通流區(qū)的流動屬于湍流運(yùn)動，理論上流場分析認(rèn)為風(fēng)扇內(nèi)部流體為不可壓縮氣體；流動中無熱量交換，采用非定常計算；計算中忽略重力對流場的影響。

1.3 控制方程的選定

風(fēng)扇的非定常流場十分復(fù)雜，如何選擇合適的湍流模型成為風(fēng)機(jī)噪聲預(yù)測的關(guān)鍵。將網(wǎng)格模型導(dǎo)入F1uent中，選擇LES算法，即大渦流算法。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于，對空間分辨率的要求要遠(yuǎn)小于直接數(shù)值模擬方法，且可以獲得比雷諾平均模擬更多的湍流信息。其模擬的控制方程如下［8］：

不可壓縮湍流的亞格子渦粘和渦擴(kuò)散模型采用分子粘貼形式，即

將亞格子應(yīng)力的渦粘模型帶入到大渦數(shù)值模擬控制方程中得：

至此，大渦模擬的控制方程確立。

定義時間步長為1×10-6，0.05s的仿真結(jié)果，計算結(jié)果云圖如圖5所示。

圖5 風(fēng)扇葉片壓力分布圖

2 氣動噪聲的仿真計算

2.1 選擇分析類型

設(shè)定分析模型的類型為非直接，采用邊界元（BEM）方法求解。將Fluent計算得出的結(jié)果，即穩(wěn)定的壓力場，作為聲學(xué)仿真的邊界條件。

2.2 生成聲學(xué)網(wǎng)格

導(dǎo)入流體網(wǎng)格并定義網(wǎng)格屬性為聲學(xué)網(wǎng)格，將Fluent計算出的流體靜壓力結(jié)果導(dǎo)入模型（圖6）。

圖6 風(fēng)扇聲學(xué)網(wǎng)格圖

2.3 生成邊界元網(wǎng)格及場點(diǎn)網(wǎng)格

如圖7所示，場點(diǎn)網(wǎng)格為距離風(fēng)扇1000 mm處的一個平面，以觀察在此處風(fēng)扇的噪聲分布。而邊界元網(wǎng)格是以風(fēng)扇直徑為直徑，以風(fēng)扇前后各1000mm為長度的圓柱體。定義流體屬性及風(fēng)扇源屬性后提交運(yùn)算，得到的結(jié)果如圖8所示。

圖7 風(fēng)扇場點(diǎn)網(wǎng)格圖

圖8 風(fēng)扇出口處1m處噪聲分布圖

3 風(fēng)扇性能試驗與仿真結(jié)果驗證

3.1 風(fēng)扇的性能試驗

實驗方案主要內(nèi)容包括 1）選擇試驗場地：主要是在一個半消音環(huán)境下進(jìn)行；2）選定一個測量的工況：與仿真分析的工況一致；3）測點(diǎn)的布置：將傳感器至于風(fēng)扇的出口處1m的位置，試驗相關(guān)圖片如圖9所示；4）進(jìn)行噪聲測試。

圖9 噪聲試驗裝置圖

3.2 結(jié)果對比

試驗所測以及仿真所得是在轉(zhuǎn)速為2400r·min-1和1400r·min-1轉(zhuǎn)速下，距離風(fēng)扇出風(fēng)口處1m的噪聲值，結(jié)果對比如表1所示。

表1 結(jié)果對比

由表1對比結(jié)果可知：在轉(zhuǎn)速為1400r·min-1下，距離風(fēng)扇1m處的仿真噪聲為61.9dB，在同樣狀態(tài)下的實驗結(jié)果為63.6dB，誤差為2.7%；在轉(zhuǎn)速為2400r·min-1下，距離風(fēng)扇1m處的仿真噪聲為72.2dB，在同樣狀態(tài)下的實驗結(jié)果為74.1dB，誤差為3.1%。

4 結(jié)論

通過對一款風(fēng)扇氣動噪聲的仿真計算，并將結(jié)果與試驗進(jìn)行對比，得出以下結(jié)論：

1）得到風(fēng)扇在1400 r·min-1轉(zhuǎn)速下距離風(fēng)扇出風(fēng)口1m的噪聲值為61.9dB；風(fēng)扇仿真噪聲在2400r·min-1轉(zhuǎn)速下距離風(fēng)扇出風(fēng)口1m的噪聲值為72.2dB。

2）噪聲的實驗值與仿真值的誤差都在允許的范圍內(nèi)（5%），說明仿真模型的可靠，仿真分析結(jié)果是可信的。

仿真分析結(jié)果與實驗值有差別，其原因是仿真計算時對模型進(jìn)行了一些簡化；網(wǎng)格的精度不夠高；實驗過程中存在誤差及仿真過程中存在固有誤差等。

［1］Khelladi S.，Kouidri S.，Bakir F.，et al.Predicting tonal noise from a high rotational speed centrifugal fan［J］. JOURNAL OF SOUND AND VIBRATION，2008，313(1-2)：113-133.

［2］Gerard A，Berry A，Masson P.Control of tonal noise from subsonic axial fan.Part 2:active control simulations and experiments in free field［J］.JOURNAL OF SOUND AND VIBRATION，2005，288(4-5)：1077-1104.

［3］Sorguven Esra，Dogan Yilmaz.Acoustic optimization for centrifugal fans［J］.NOISE CONTROL ENGINE-ERING JOURNAL，2012，60（4）：379-391.

［4］王斌，吳錦武，陳志軍.風(fēng)扇系統(tǒng)噪聲對發(fā)動機(jī)整機(jī)噪聲的影響［J］.內(nèi)燃機(jī)工程，2004，25（6）:52-54.

［5］Liu Q.，Qi D.，Tang H.Computation of aerodynamic noise of centrifugal fan using large eddy simulation approach，acoustic analogy，and vortex sound theory［J］. PROCEEDINGS OF THE INSTITUTION OF MECHANICAL ENGINEERS PART C-JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING SCIENCE，2007，221 (11):1321-1332.

［6］伍文華，杜平安，陳燕，等.大渦模擬在軸流風(fēng)扇氣動噪聲仿真中的應(yīng)用［J］.機(jī)械設(shè)計與制造，2013（1）：63-65.

［7］吳玉林，陳慶光，劉樹光.通風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2005.

［8］張兆順，崔桂香，許春曉.大渦數(shù)值模擬的理論與應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2008:73-96.

Co-simulation of Aerodynamic Noise for Engine Fan Based on Fluent and Virtual Lab

Wang Huiru,Lü Guokun,Zheng Quan
（Institute of Technology,Anhui Agricultural University,Hefei 230036,China）

The flow field and acoustic field distribution of the fan were simulated based on a certain engine fan,by numerical simulation,with Fluent and LMS Virtual Lab.Compared the noise of the calculated results with that of the test fan in semi-anechoic room,the accuracy of the co-simulation method for calculating fan noise was verified.It can be used for the preliminary test of the fan performance in engineering practice,and provides technical basis for further optimization of the fan.

fan;aerodynamic noise;CFD simulation

464.138+.4

A

1008－5483（2014）01－0030－04

2014-03-19

安徽省自然科學(xué)高校重點(diǎn)項目（KJ2013A125）

王惠茹（1991-），女，安徽馬鞍人，碩士生，主要從事大馬力拖拉機(jī)變速箱噪聲方面的研究。

10.3969/j.issn.1008-5483.2014.01.008