冷卻風(fēng)扇氣動(dòng)噪聲性能的分析方法研究及應(yīng)用

朱聰聰，蘇俊收，薛 卡

（1. 徐工集團(tuán)工程機(jī)械有限公司 江蘇徐州工程機(jī)械研究院，江蘇 徐州 221004；2. 徐工集團(tuán)高端工程機(jī)械智能制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221004）

冷卻風(fēng)扇的噪聲產(chǎn)生于風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)時(shí)與空氣之間的相互作用，針對(duì)不同的噪聲類型采取相應(yīng)的控制措施。然而風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)復(fù)雜且靈活多變，對(duì)它各氣動(dòng)特性如溫度變化、速度變化、壓力分布等進(jìn)行理論計(jì)算的工作繁瑣復(fù)雜。目前，通常借用試驗(yàn)手段研究其噪聲性能，但該方法設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，成本高，效果也不理想。隨著仿真技術(shù)方法的發(fā)展，利用流體仿真工具計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）模擬散熱風(fēng)扇的工作過程，仿真計(jì)算其物理量變化規(guī)律，再進(jìn)行分析和改進(jìn)設(shè)計(jì)的方法已成為預(yù)測(cè)風(fēng)扇噪聲性能的重要手段。

本文以經(jīng)典聲學(xué)和氣動(dòng)噪聲理論為基礎(chǔ)，運(yùn)用聯(lián)合仿真方法模擬風(fēng)扇流場(chǎng)和聲場(chǎng)的分布，以某機(jī)型選配的3款風(fēng)扇為評(píng)估對(duì)象，運(yùn)用Fluent計(jì)算其穩(wěn)態(tài)壓力場(chǎng)，將其作為邊界條件導(dǎo)入LMS virtual lab中進(jìn)行氣動(dòng)噪聲的數(shù)值仿真，并通過試驗(yàn)手段驗(yàn)證該方法的準(zhǔn)確性，為風(fēng)扇的選型和噪聲預(yù)測(cè)提供依據(jù)。

1 基本原理

從葉輪機(jī)械氣動(dòng)噪聲源的典型噪聲譜可將噪聲分成2類：一類是與旋轉(zhuǎn)葉片的槳葉通過頻率相關(guān)的離散噪聲，也稱旋轉(zhuǎn)噪聲；另一類是與葉片上的紊流壓力脈動(dòng)相關(guān)的頻率連續(xù)分布的寬頻噪聲。此外，按照旋轉(zhuǎn)氣動(dòng)噪聲的聲源性質(zhì)，又可分為單極子聲源、偶極子聲源和四級(jí)子聲源3種，其噪聲的大小分別取決于槳葉的幾何尺度、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和槳葉上的載荷。而寬帶噪聲的聲源性質(zhì)通常為旋轉(zhuǎn)葉片上的紊流附面層流動(dòng)所致的脈動(dòng)載荷作用于槳葉上流體而形成的偶極子聲源，大小取決于紊流附面層的流動(dòng)狀況。根據(jù)對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械空氣動(dòng)力學(xué)的研究，可量化穩(wěn)態(tài)載荷旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的螺旋槳噪聲，通過聲類比方程式，揭示了聲與流體相互作用的本質(zhì)。公式如下

其中ρ˙為密度擾動(dòng)；Tij被稱為萊特希爾應(yīng)力張量。

當(dāng)明確的聲散效果被忽略，固體邊界的影響相當(dāng)于表面分布偶極子源，由此可得出氣動(dòng)聲學(xué)更為普遍的聲波波動(dòng)方程，被稱為FW-H方程。

坐標(biāo)變換的雅克比行列式，J為被源邊界S包含的體積；S為時(shí)刻τ的源區(qū)邊界；［］是每個(gè)體積元所需要計(jì)算的項(xiàng)；Mr為每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)方向源運(yùn)動(dòng)的馬赫網(wǎng)格面法線方向上的瞬時(shí)壓力脈動(dòng)；R為觀測(cè)點(diǎn)到源的距離；vj表示聲源的速度分量。目前，F(xiàn)W-H方程是渦輪機(jī)械噪聲研究的主要理論依據(jù)。

2 流場(chǎng)仿真分析

2.1 模型建立

建立風(fēng)扇的有限元模型，在對(duì)氣流流動(dòng)影響不大的輪轂部分可進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，而葉片網(wǎng)格則盡量與實(shí)際形狀保持一致。圖1為3款不同風(fēng)扇簡(jiǎn)化后的模型。

圖1 風(fēng)扇模型（依次為風(fēng)扇A、風(fēng)扇B、風(fēng)扇C）

參考實(shí)際的風(fēng)扇性能試驗(yàn)設(shè)備建立流場(chǎng)模型。流體域劃分了旋轉(zhuǎn)區(qū)域和過渡區(qū)2個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域依據(jù)流場(chǎng)仿真的影響程度對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行不同尺寸的劃分。圖2為風(fēng)扇性能試驗(yàn)臺(tái)及其內(nèi)部細(xì)化示意圖。

圖2 風(fēng)扇性能試驗(yàn)臺(tái)及其內(nèi)部細(xì)化示意圖

2.2 邊界條件設(shè)定

仿真分析前設(shè)定Fluent的邊界條件。假設(shè)風(fēng)扇內(nèi)部流通為不可壓縮氣體并忽略重力影響，流體流動(dòng)為湍流運(yùn)動(dòng)，無熱交換，采用非定常計(jì)算，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速均為2100rpm。

2.3 控制方程的選定

風(fēng)扇的非定常流場(chǎng)十分復(fù)雜，如何選擇合適的湍流模型成為風(fēng)扇流場(chǎng)計(jì)算和噪聲預(yù)測(cè)的關(guān)鍵。將網(wǎng)格模型導(dǎo)入Fluent中，選擇使用LES算法即大渦流算法。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于對(duì)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

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。

計(jì)算中，定義流量監(jiān)控區(qū)域（風(fēng)扇前后端面）和壓力監(jiān)控區(qū)域（風(fēng)扇葉片和輪轂的表面），研究風(fēng)扇的流場(chǎng)特性，待流場(chǎng)穩(wěn)定后計(jì)算分析3款風(fēng)扇的噪聲性能。圖3是計(jì)算穩(wěn)定后風(fēng)扇前端面的流量曲線。

圖3 風(fēng)扇前端面流量

3 氣動(dòng)噪聲仿真分析

分析模型采用間接邊界元（BEM）方法求解，將Fluent計(jì)算得出的結(jié)果即穩(wěn)定的壓力場(chǎng)作為聲學(xué)仿真的邊界條件，并將其轉(zhuǎn)化為計(jì)算所需的扇聲源，如圖4所示。

圖4 用于風(fēng)扇噪聲計(jì)算的扇聲源

考慮到地面反射，在virtual lab中使用對(duì)稱面來模擬“硬”邊界條件，場(chǎng)點(diǎn)位置分別設(shè)置于風(fēng)扇前方軸向距離1m和徑向距離兩側(cè)1m處，以獲得此處風(fēng)扇的噪聲，如圖5所示。

圖5 風(fēng)扇試驗(yàn)臺(tái)架仿真模型

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 風(fēng)扇噪聲性能試驗(yàn)

為保證實(shí)驗(yàn)和仿真的可比性，實(shí)驗(yàn)方案選定的測(cè)量工況以及測(cè)點(diǎn)的布置應(yīng)分別與仿真的工況和場(chǎng)點(diǎn)一致。測(cè)點(diǎn)布置示意圖如圖6所示。

4.2 結(jié)果對(duì)比

試驗(yàn)以及仿真所得的結(jié)果（風(fēng)扇前方軸向距離1m處的噪聲值）如表1所示。

表1 結(jié)果對(duì)比（單位：dB（A））

圖6 測(cè)點(diǎn)布置示意圖

由表1對(duì)比的結(jié)果可知，在試驗(yàn)臺(tái)架、地面等外界聲學(xué)環(huán)境一致的情況下，風(fēng)扇噪聲的仿真值與試驗(yàn)值的誤差在±5%以內(nèi)，誤差主要是由于未考慮到風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)變形以及忽略了電機(jī)及其他聲源所致。通過仿真和試驗(yàn)測(cè)試均能得到相同的風(fēng)扇噪聲水平評(píng)估結(jié)果，即風(fēng)扇噪聲性能，由優(yōu)到劣的順序依次是：風(fēng)扇B、風(fēng)扇A、風(fēng)扇C。這對(duì)風(fēng)扇噪聲的預(yù)測(cè)和選型起到一定的指導(dǎo)作用，為后期風(fēng)扇的選型改進(jìn)及與散熱器的配合優(yōu)化提供了參考。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過建立風(fēng)扇噪聲試驗(yàn)臺(tái)的有限元模型，計(jì)算風(fēng)扇同一轉(zhuǎn)速下的流場(chǎng)及噪聲，研究風(fēng)扇改進(jìn)的可實(shí)施性。通過試驗(yàn)驗(yàn)證，該方法在工程實(shí)際中可用于對(duì)風(fēng)扇性能的初步預(yù)測(cè)，為風(fēng)扇噪聲的控制和優(yōu)化選型提供了依據(jù)和有效的評(píng)估手段，可推廣到其他不同類型風(fēng)扇的噪聲水平評(píng)估，對(duì)風(fēng)扇噪聲性能的選型起到一定的參考價(jià)值?？紤]到各個(gè)風(fēng)扇的風(fēng)量、效率和工作轉(zhuǎn)速不同，有必要繼續(xù)研究 風(fēng)扇不同轉(zhuǎn)速下的噪聲水平，以找出控制流量和噪聲的最佳平衡點(diǎn)。