牽引電機整機氣動噪聲特性的數(shù)值模擬研究*

朱一喬, 王文慶

(中車永濟電機有限公司,陜西 西安 710016)

0 引 言

隨著技術(shù)的不斷進步，高鐵等地面交通工具的運行速度逐年提升，隨之而來的噪聲問題也逐漸受到人們的關(guān)注[1]。牽引電機(TM)作為高鐵、地鐵等地面交通工具核心動力部件，其工作時產(chǎn)生的噪聲主要由三部分組成：通風(fēng)噪聲、電磁振動噪聲、機械噪聲[2]，其中通風(fēng)噪聲主要由冷卻風(fēng)扇產(chǎn)生。根據(jù)以往在高轉(zhuǎn)速下的牽引電機噪聲測試經(jīng)驗，冷卻風(fēng)扇噪聲通常是牽引電機噪聲的主要成分。因此，非常有必要研究一種適用于牽引電機冷卻風(fēng)扇氣動噪聲預(yù)測的方法，獲取其噪聲幅值和頻譜特性，并將預(yù)測結(jié)果應(yīng)用到電機的設(shè)計階段中。

近年來，國內(nèi)外許多研究人員對風(fēng)扇等旋轉(zhuǎn)機械的噪聲產(chǎn)生機理和控制方法開展了大量的研究?？祻姷萚3]對比了積分法和有限元法在Lighthill聲波動方程求解離心風(fēng)機氣動噪聲中的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)有限元方法能克服積分方法不能求解復(fù)雜邊界格林函數(shù)的缺點，且噪聲預(yù)測結(jié)果較好，并指出離心風(fēng)機主要噪聲源為葉片壓力面與蝸舌前后部。 Wang等[4]針對汽車交流發(fā)電機冷卻風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)噪聲預(yù)測及優(yōu)化問題，運用矢量合成方法，計算得到相對聲壓和相對聲級變化量，并用相對聲壓預(yù)測旋轉(zhuǎn)噪聲過大的階次和改變?nèi)~片分布角度前后各階次旋轉(zhuǎn)噪聲的變化，然后以相對聲壓級變化量為參數(shù)，優(yōu)化風(fēng)扇噪聲。左曙光等[5]對一燃料電池汽車內(nèi)的離心風(fēng)機進行了噪聲測試分析，測試結(jié)果表明離心風(fēng)機的噪聲主要由風(fēng)機葉輪產(chǎn)生的離散噪聲和進氣湍流、電機電磁激勵產(chǎn)生的寬頻噪聲組成。何源[6]以9-19No.4A風(fēng)機為研究對象，在詳述風(fēng)機氣動噪聲源的基礎(chǔ)上，利用邊界元法求解風(fēng)機氣動噪聲，計算結(jié)果表明蝸舌上產(chǎn)生的離散噪聲遠大于葉片上產(chǎn)生的離散噪聲。鄒春一等[7]通過仿真和試驗測試手段，研究了汽車空調(diào)系統(tǒng)在不同轉(zhuǎn)速和循環(huán)工況下的氣動噪聲特性，結(jié)果表明空調(diào)系統(tǒng)產(chǎn)生的氣動噪聲呈寬頻噪聲特性，且整車環(huán)境下空調(diào)系統(tǒng)輻射出來的噪聲量級遠高于自由場環(huán)境。關(guān)于牽引電機風(fēng)扇噪聲的研究較少，Noda等[8]通過設(shè)計風(fēng)扇葉片不等間距排布等措施，降低牽引電機風(fēng)扇噪聲。申政等[9]使用混合方法計算了某牽引電機冷卻風(fēng)扇噪聲，計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)風(fēng)扇內(nèi)噪聲最大位置發(fā)生在風(fēng)扇葉輪流道內(nèi)強流動分離處，但該研究中未考慮牽引電機整機模型，僅截取了冷卻風(fēng)扇部分進行仿真計算。

因此，有必要對牽引電機整機氣動噪聲特性展開研究。以某牽引電機整機模型為研究對象，提取牽引電機內(nèi)部非定常流場計算結(jié)果，并建立有限元聲學(xué)計算模型，利用聲類比方法仿真分析了該電機在額定轉(zhuǎn)速下的氣動噪聲，獲取了由冷卻風(fēng)扇產(chǎn)生的氣動噪聲頻譜、指向性等聲學(xué)特性，并與試驗測試結(jié)果進行對比，為牽引電機冷卻風(fēng)扇噪聲優(yōu)化工作提供依據(jù)。

1 牽引電機氣動噪聲計算流程

牽引電機冷卻風(fēng)扇氣動噪聲的計算流程如圖1所示。對于工程中的氣動噪聲問題，常采用混合方法，混合方法忽略了聲場對流場的影響，將氣動噪聲的計算分為聲源的產(chǎn)生和聲傳播兩個步驟。首先建立牽引電機整機內(nèi)流場的計算模型，完成定常流場和非定常流場計算，對時域上的流場噪聲源數(shù)據(jù)進行采樣；然后建立牽引電機氣動噪聲有限元計算模型，將流場計算結(jié)果插值轉(zhuǎn)換到聲學(xué)模型上，完成噪聲源數(shù)據(jù)時頻域的轉(zhuǎn)換；最后利用聲類比方法計算牽引電機冷卻風(fēng)扇的氣動噪聲。

圖1 牽引電機冷卻風(fēng)扇氣動噪聲計算流程圖

2 牽引電機內(nèi)流場仿真計算

2.1 計算模型

參考牽引電機原始裝配體的模型，建立滿足計算流體力學(xué)(CFD)計算需求的電機簡化模型。將電機結(jié)構(gòu)分為定子、傳動端端蓋、非傳動端端蓋、濾塵器、轉(zhuǎn)子、風(fēng)扇和線圈等，依次建立相應(yīng)的簡化模型。在牽引電機氣動噪聲計算中風(fēng)扇是核心部件，因此對于風(fēng)扇結(jié)構(gòu)僅在原始零部件模型基礎(chǔ)上去除風(fēng)扇上的裝配孔，其他結(jié)構(gòu)特征保持不變。電機中風(fēng)扇和轉(zhuǎn)子均為旋轉(zhuǎn)部件，根據(jù)這一特點，可將該電機流體域分為5個區(qū)域：進口延長段、定子流體域、轉(zhuǎn)子流體域、風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)域和出口延長段。其中進口延長段長度為200 mm，出口延長段參考出口附近結(jié)構(gòu)向外延長的圓柱直徑為780 mm。

圖2 某牽引電機流體域模型

2.2 計算網(wǎng)格及邊界條件

為適應(yīng)牽引電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，在進行網(wǎng)格劃分時將流體域分為三部分：風(fēng)扇區(qū)域、進出口延長區(qū)域和其他區(qū)域，不同區(qū)域之間使用interface邊界條件進行連接。牽引電機氣動噪聲計算中核心部件是冷卻風(fēng)扇，對風(fēng)扇區(qū)域進行網(wǎng)格加密，面網(wǎng)格最小尺寸為1 mm，且同時劃分邊界層網(wǎng)格，邊界層網(wǎng)格尺寸應(yīng)滿足非定常計算中采用的高精度湍流模型的壁面函數(shù)要求(Yplus=1)。對于其他區(qū)域，網(wǎng)格劃分時兼顧計算精度與網(wǎng)格數(shù)量，將面網(wǎng)格尺寸設(shè)置為2～10 mm。最終所有區(qū)域生成的體網(wǎng)格總數(shù)量約為1 300萬。

使用Ansys Fluent進行定常和非定常流場計算。為加快非定常計算的收斂速度，先進行定常流場計算，計算中湍流模型選擇Realizablek-e湍流模型，風(fēng)扇和轉(zhuǎn)子區(qū)域選擇多參考系模型，給定額定轉(zhuǎn)速，進口設(shè)為壓力進口，出口設(shè)為壓力出口。計算中通過監(jiān)測進、出口處的流量和壓力判斷計算結(jié)果是否收斂，待定常計算收斂后，以定常結(jié)果為初始值進行非定常流場計算。湍流模型選擇DES-SST湍流模型，風(fēng)扇和轉(zhuǎn)子區(qū)域使用滑移網(wǎng)格，時間步長設(shè)為8.275×10-5s，對應(yīng)風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)1°所需的時間。在非定常計算中通過監(jiān)測每一個時間步內(nèi)殘差的收斂性和風(fēng)扇出口處壓力波動的周期性來判斷計算的穩(wěn)定性和收斂性，待非定常計算收斂后進行流場噪聲源數(shù)據(jù)的采樣。

2.3 計算結(jié)果

流場計算完成后，提取電機內(nèi)部流場中子午面和回轉(zhuǎn)面上速度及旋渦強度分布圖，分析電機內(nèi)部流動現(xiàn)象。

根據(jù)圖3中牽引電機內(nèi)流場速度流線分布圖可知，子午面上從電機進風(fēng)口到風(fēng)扇出口均存在分離，且風(fēng)扇區(qū)域內(nèi)流線紊亂分離最為嚴重。在風(fēng)扇回轉(zhuǎn)面上，流道中氣流的分離現(xiàn)象更加明顯，過多的流動分離會引起風(fēng)扇氣動性能的損失，引起渦流噪聲。

圖3 牽引電機內(nèi)流場速度流線圖

旋渦強度是流場內(nèi)速度梯度張量復(fù)特征值的虛部，其值代表圍繞當?shù)刂行男D(zhuǎn)運動的強度。牽引電機內(nèi)流場旋渦強度分布圖如圖4所示，在風(fēng)扇進風(fēng)口、風(fēng)扇葉尖處存在明顯的高強度旋渦運動。根據(jù)Powell的渦聲理論可知，在低馬赫數(shù)下，流場內(nèi)渦是產(chǎn)生氣動噪聲的主要原因，旋渦強度越高轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的氣動噪聲幅值越高。通過改善風(fēng)扇上游進風(fēng)口處流動狀態(tài)，減小風(fēng)扇葉尖處的流動分離可改善牽引電機氣動噪聲性能。

圖4 牽引電機內(nèi)流場旋渦強度分布圖

3 牽引電機氣動噪聲仿真計算

3.1 氣動噪聲計算模型

牽引電機非定常流場計算完成了噪聲源數(shù)據(jù)的采樣，建立聲學(xué)計算模型。如圖5所示，聲學(xué)計算模型由聲源區(qū)和聲傳播區(qū)組成。為了提取流場中的所有聲源信息，將CFD計算中的流體域作為聲源區(qū)。在聲源區(qū)模型中，提取冷卻風(fēng)扇產(chǎn)生的偶極子噪聲面聲源和電機流道內(nèi)產(chǎn)生的四極子噪聲體聲源作為邊界條件。聲傳播區(qū)參考聲源區(qū)形狀，在電機外部創(chuàng)建了矩形體區(qū)域。電機在噪聲測試時是直接放置在地面的，因此矩形體底面設(shè)置為全反射剛性壁面，其他外表面為無反射邊界。同時依據(jù)噪聲測試時測點分布位置，在水平和豎直方向上共設(shè)置15個噪聲監(jiān)測點，獲取監(jiān)測點處的噪聲聲壓級和頻譜特性。

圖5 牽引電機聲學(xué)計算模型

3.2 試驗測試

參考噪聲測量標準對目標電機水平方向和垂直方向上的噪聲聲壓級和頻譜進行測試。根據(jù)電機聲壓級測試數(shù)據(jù)，計算聲功率級。為保證測試結(jié)果的準確性，特增加補充測試點，位置如圖6所示。在豎直平面上，靠近電機傳動端和非傳動端各增加2個測點；在水平平面上，增加8個測點，每個測點距離規(guī)定測點0.5 m。

圖6 電機噪聲測點位置示意圖

噪聲試驗測試現(xiàn)場圖如圖7所示。在測試電機噪聲之前，應(yīng)對環(huán)境噪聲進行測量，避免環(huán)境噪聲過大對電機噪聲測試帶來誤差。在正式開始測試之前，應(yīng)使被測電機保持低轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)10 min以上，進行電機預(yù)熱，避免機械噪聲過大對測試結(jié)果帶來誤差。完成以上準備工作，即可開始電機噪聲測試。測試中應(yīng)保證無其他噪聲源干擾，每次噪聲數(shù)據(jù)采樣時間建議在10～15 s。

圖7 電機噪聲試驗測試圖

3.3 計算結(jié)果與分析

計算完成后，提取所有噪聲監(jiān)測點處總聲壓級與試驗測試值進行對比。對比表1結(jié)果可看出，單個測點上仿真與試驗聲壓級最小相差0.1 dB(A)，多點平均聲壓級相差1.8 dB(A)。其中，P1、P3點是水平方向上正對電機進出風(fēng)口的測點，電機內(nèi)氣動噪聲主要從進出風(fēng)口向外傳播，因此這兩個測點的誤差較小；P2、P4點是水平方向上電機兩側(cè)的測點，此位置處噪聲主要來源于電機電磁激勵振動，因此這兩個測點的誤差較大?？紤]到實際電機噪聲測試中除了風(fēng)扇噪聲還包括電磁振動噪聲和機械噪聲，因此仿真結(jié)果誤差滿足工程計算的要求。

表1 牽引電機氣動噪聲仿真值與試驗值誤差

牽引電機正常工作時，氣動噪聲主要包括由旋轉(zhuǎn)風(fēng)扇產(chǎn)生的偶極子聲源及電機通風(fēng)流道內(nèi)渦流產(chǎn)生的四極子聲源。在計算中通過設(shè)置面聲源和體聲源邊界條件來提取不同類型的聲源，同時可以采用定義載荷工況評估不同噪聲源對總噪聲的貢獻量。從圖8可以看出，對于測點P1，其噪聲頻譜中有兩個明顯的離散噪聲峰值，221 Hz和413 Hz。通過對比不同聲源與總噪聲的頻譜發(fā)現(xiàn)，221 Hz處峰值來自于面聲源即冷卻風(fēng)扇噪聲，而413 Hz處峰值來自于體聲源即流道渦流噪聲，且體聲源對中高頻噪聲的貢獻量較高。

圖8 不同聲源的噪聲貢獻量對比

一般風(fēng)扇氣動噪聲中包含的離散噪聲是由旋轉(zhuǎn)的葉輪周期性擊打空氣或鄰近的固壁面造成的，其頻率為

(1)

式中：z為風(fēng)扇葉片數(shù);n為葉輪轉(zhuǎn)速;i為諧波數(shù)，i=1,2,3，…。

依據(jù)牽引電機額定轉(zhuǎn)速2 014 r/min和風(fēng)扇葉片數(shù)11個，由式(1)計算得到葉片通過頻率的基頻為369 Hz。但由于本文中牽引電機的冷卻風(fēng)扇葉片為不等間距排布，葉片通過頻率偏移。從監(jiān)測點處的噪聲頻譜曲線可以看出，P1點處葉片通過頻率的基頻偏移至221 Hz。

在牽引電機聲學(xué)模型中的水平面上均布一圈噪聲監(jiān)測點，即可獲得每一個監(jiān)測點的噪聲特性，將同一頻率下不同測點的噪聲幅值繪制在極坐標圖中即可得到該頻率下噪聲傳播指向特性，如圖9所示。221 Hz下噪聲指向性呈現(xiàn)典型的偶極子噪聲輻射特性，說明221 Hz下噪聲來自于風(fēng)扇的偶極子噪聲，且該頻率噪聲主要沿牽引電機進出風(fēng)口方向向外傳播，出風(fēng)口方向噪聲幅值明顯大于進風(fēng)口。通過獲取電機主要峰值處的噪聲輻射指向性，可在噪聲主要傳播途徑和方向上設(shè)置吸聲隔聲裝置，采用被動降噪的方式降低牽引電機輻射噪聲。

圖9 221 Hz-噪聲輻射指向性圖

4 結(jié) 語

本文通過建立牽引電機內(nèi)流場仿真計算模型，以電機非定常內(nèi)流場計算結(jié)果為聲源，計算并分析了牽引電機氣動噪聲特性，結(jié)論如下：

(1) 牽引電機內(nèi)流場中流動分離現(xiàn)象非常明顯，風(fēng)扇區(qū)域分離現(xiàn)象最為嚴重，且在風(fēng)扇進風(fēng)口、風(fēng)扇葉尖處存在明顯的高強度旋渦運動；

(2) 分析噪聲監(jiān)測點處的頻譜曲線發(fā)現(xiàn)，噪聲頻譜中存在明顯的離散噪聲峰值，其中最高峰值來自于冷卻風(fēng)扇的偶極子噪聲，而第二高峰值則來自于通風(fēng)流道內(nèi)的四極子噪聲，在牽引電機氣動噪聲的優(yōu)化中應(yīng)綜合考慮風(fēng)扇噪聲和通風(fēng)流道噪聲；

(3) 采用不等間距排列的風(fēng)扇葉片會導(dǎo)致葉片通過頻率偏移，對于電機進風(fēng)口處的監(jiān)測點該頻率由369 Hz偏移至221 Hz；

(4) 最高峰值頻率下的噪聲輻射指向性呈現(xiàn)典型的偶極子特征，且主要從牽引電機進出風(fēng)口向外傳播。