汽车用风扇气动噪声的CFD计算
1_ANSYS CFD在汽车外空气动力学及气动噪声领域的应用和案例分享
ANSYS CFD解决方案
高精度的湍流模型 自动化、大规模、高质量的网格工具 Model Drag (SCx) DES Exp. 0.70 DDES 0.71 DDES DES 0.75 LES 0.69
接近线性的并行加速比 支持超过一万核的并行
ANSYS CFD解决方案
不使用网格变形的优化过程
基于RBF Morph的优化案例
• 计算网格
• 使用FLUENT Meshing生成约5000万混合网格，共计10层边界层网格
• 计算条件
• 速度：100 kph • 压力基耦合求解器，对流项使用二阶迎风差分格式 • Realizable K-epsilon湍流模型，非平衡壁面函数
基于RBF Morph的优化案例
基于伴随求解器和网格变形的优化案例
优化目标：阻力降低
基于伴随求解器和网格变形的优化案例
基于伴随求解器和网格变形的优化案例
基于RBF Morph的优化案例
• Volvo公司使用ANSYS Fluent、HPC、RBF Morph和DesignXplorer， 实现了对XC60车型的空气动力学性能优化仿真。
• 计算代价较小 • • 计算域只覆盖噪声源的区域 适用于远场计算
• FW-H方法的缺点
• • • 无法考虑声音对流动的反作用 无法考虑反射 从源到接收位置之间需要有直的视线（无遮挡）
ANSYS FLUENT中的气动噪声模拟方法
• Broadband Noise Source Models • 在ANSYS Fluent的宽频噪声模型中，湍流参数通过RANS方程求出，再用一定的半经 验修正模型（如Proudman方程模型、 边界层噪声源模型、 线性Euler方程源项模型、 Lilley方程源项模型）计算表面单元或体积单元的噪声功率。 • Broadband模型是CAA和“声比拟”方法的很好补充，可以采用宽频噪声模型提取有
风力涡轮机叶片气动噪声的数值模拟
风力涡轮机叶片气动噪声的数值模拟一、风力涡轮机叶片气动噪声的数值模拟概述风力涡轮机作为可再生能源领域的重要技术之一，其效率和性能直接影响到能源的转换效率和经济效益。
在风力涡轮机的运行过程中，叶片的气动噪声是一个不可忽视的问题，它不仅影响周围环境的声学舒适度，还可能对机器的长期运行造成不利影响。
因此，对风力涡轮机叶片气动噪声进行数值模拟，以预测和降低噪声，具有重要的实际意义。
1.1 风力涡轮机叶片气动噪声的数值模拟的重要性数值模拟作为一种高效、低成本的研究手段，可以对风力涡轮机叶片在不同工况下的气动噪声进行预测和分析。
通过数值模拟，可以深入理解噪声产生的机理，为叶片设计优化提供理论依据。
1.2 风力涡轮机叶片气动噪声的数值模拟的研究现状目前，气动噪声的数值模拟主要采用计算流体动力学（CFD）和声学模拟相结合的方法。
CFD用于模拟叶片周围的流场，而声学模拟则用于预测由此产生的噪声。
随着计算机技术的发展，数值模拟的精度和效率不断提高，已经成为风力涡轮机叶片气动噪声研究的重要工具。
二、风力涡轮机叶片气动噪声数值模拟的理论基础2.1 气动噪声产生的机理气动噪声是由流体与固体表面相互作用产生的，其主要来源包括叶片表面的压力波动、尾迹涡流的脱落以及叶片与周围空气的湍流相互作用等。
这些因素共同作用，导致声波的辐射。
2.2 数值模拟方法数值模拟通常采用有限体积法（FVM）或有限元法（FEM）来离散控制方程，通过求解Navier-Stokes方程来模拟流场。
对于声学模拟，可以采用声学类比法（ANA）或直接求解声波方程的方法。
2.3 边界条件和模拟参数在进行数值模拟时，需要合理设置边界条件，包括入口和出口的流动条件、叶片表面的无滑移条件以及远场的辐射条件等。
此外，模拟参数的选择，如时间步长、网格密度等，也对模拟结果的准确性有重要影响。
三、风力涡轮机叶片气动噪声数值模拟的关键技术3.1 网格生成技术网格生成是数值模拟的第一步，它直接影响到模拟的精度和效率。
基于Fluent软件的发动机冷却风扇气动性能优化
柴油机设计与制造Design and Manufacture of Diesel Engine 2020 年第4 期第26 卷（总第173 期）doi：10. 3969/j. issn. 1671-0614. 2020. 04. 006基于Fluent软件的发动机冷却风扇气动性能优化栗明，刘伦伦，高建红，曾超，张鲁滨(内燃机可靠性国家重点实验室/潍柴动力股份有限公司，潍坊261061)摘要采用C型风管式台架对某发动机冷却风扇气动性能进行试验，得到了该风扇的流量、静压及静压效率的试验数据；利用Fluent软件，对风扇流场进行仿真，得到相应的仿真结果。
将仿真结果与测试数据进行对比，结果显示两者差异基本在10%以内，满足工程分析要求：根 据风扇内部流场及叶片静压分布的仿真结果，提出了风扇结构优化方案优化后的风扇静压和静压效率均有明显提升。
关键词：发动机冷却风扇Fluent软件流场Optimization of Engine Cooling Fan Air Dynamic PerformanceBased on Fluent SoftwareLI Ming,LIU Lunlun,GAO Jianhong,ZENG Chao,ZHANG Lubin(State Key Laboratory of Engine Reliability/Weichai Power Co.,Ltd.,Weifang261061 ,China)Abstract：The air dynamic performance of mass flow rate,static pressure and static efficiency of an engine fan were obtained by testing with the C-type air duct system and by the simulation of fan flow field w ith the Fluent software.The difference between the simulation and test results was less than10% , which meets the engineering accuracy requirements.According to the simulation results of inner flows and pressure distributions on the fan blades,the fan structural 〇])tim ization was proposed,and the results showed that the optimized fan had higher static pressure and static efficiency.Key words：engine,cooling fan,Fluent software,flow field0 引言风扇是水冷式内燃机的重要组成部件，其消耗 的功率占发动机总输出功率的5%〜8%m。
发动机冷却风扇周向弯曲叶片噪声优化设计
AUTO PARTS | 汽车零部件发动机冷却风扇周向弯曲叶片噪声优化设计徐蕴婕 贺航 肖凯泛亚汽车技术中心有限公司 上海市 201201摘 要： 介绍了汽车发动机冷却风扇性能CFD仿真方法，对已有的冷却风扇进行数值模拟，并对比实验数据验证仿真可靠性。
结合风扇结构参数等因素建立三种不同型式的风扇叶片，讨论了叶片对风扇性能的影响，在不同的工况下对叶轮进行选型，为整车冷却风扇的优化匹配提供了依据。
关键词：冷却风扇 CFD 改型设计1 前言随着汽车工业的迅速发展，环保法律法规及汽车油耗标准的日益严格,消费者对于汽车动力性能和舒适性的追求也在不断提高，冷却风扇作为冷却系统主要部件，其散热性能和噪声大小对整车的热管理及NVH指标有着重要影响。
因此，对风扇气动性能以及噪声特性进行研究，并对现有风扇的设计优化具有重要的工程价值。
自20世纪40年代以来，扭曲叶片开始应用到轴流风机领域，扭曲叶片设计大大提高了轴流风机的气动性能。
60年代初，哈尔滨工业大学的王仲奇教授和前苏联学者费里鲍夫提出了应用于航空领域的弯扭叶片联合气动成型方法，弯掠风叶可控制径向压力分布和二次流分布，不仅大幅度提高风机的气动-声学性能，还能显著扩大稳定轴流风机工作区间，弯掠叶片设计成功的运用到汽轮机和航空发动机上。
MG.Beiler[1]采用数值方法研究了弯扭叶片的内部流场，并通过实验测试研究表明，前弯叶片可以改善流场分布，显著提高风机的气动性能和声学性能。
Fukano[2]对前弯和后弯叶片进行了实验研究，证实弯掠叶片可有效改善叶片尾流情况。
近年来，国内外学者对于轴流风机弯掠技术进行了大量的研究分析，上海交通大学钟芳源[3]教授将弯掠叶片设计应用于低压轴流风机，进行了数值模拟和试验测试的研究工作，并将弯掠叶片的小型风扇应用到家用电器中。
王军，于文文[4]等人，利用通过数值模拟和变型设计方法，筛选出高性能的弯掠叶片，并应用到变压器冷却领域中。
李杨[5-6]等针对通用型轴流风扇叶片，采用CFD计算风扇流场，利用人工神经网络BP算法和遗传算法相结合，对叶片前弯角进行优化。
1_ANSYS CFD在汽车外空气动力学及气动噪声领域的应用和案例分享
基于宽频噪声模型的整车气动噪声分析案例
计算网格
激活宽频噪声模型
基于宽频噪声模型的整车气动噪声分析案例
偶极子噪声源
四极子噪声源对总噪声源的影响
谢谢！
地址：北京市朝阳区八里庄东里1号莱锦TOWN园区Cn08座
邮编：100025
电话：+86-10-52167777 传真：+86-10-52167799 电邮：info@
Boat tail angle Long roof drop angle Green House Angle Front Spoiler Angle
Min
- 1.85 - 2.30 - 0.70
Baseline
0.0 0.0 0.0 0.0
Max
+ 1.85 + 1.50 + 0.70 + 3.80
关键问题
1. 燃油消耗率 2. 冷却气流和阻力的权衡
汽车高速运行时， 克服气动阻力所需 的燃油消耗占主导
冷却气流和阻力的权衡
关键问题
3. 泥、水附着 4. 车辆涉水
如何最小化附着？
如何防止水飞溅到风挡或 侧窗玻璃上？
CFD的优势
1. 成本，速度
CFD仿真：低成本，速度快
风洞试验：高成本，速度慢
• • 瞬态计算需要使用很小的时间步长，计算很长的物理时间 非常细密的网格，网格数量十分庞大
•
•
多用于近场噪声计算，远场噪声计算需要较大的计算域，计算量陡增
由于声压级远小于流体的压力，需要使用高精度的离散格式
ANSYS FLUENT中的气动噪声模拟方法
• Segregated Source-Propagation Methods (SSPM) • 对于中场和远场噪声模拟，ANSYS Fluent采用基于Lighthill的“噪声比拟”方法，作 为CAA方法的补充是ANSYS Fluent中计算代价较小的方法之一。“噪声比拟”方法不 同于CAA方法，它把波动方程和流动方程解耦，在近场流动解析采用适当的控制方程 比如非定常雷诺平均、DES分离涡或LES大涡模拟等方法，然后再把求解结果作为噪声
CFD++,CAA++气动噪声解决方案
CFD++/CAA++地面交通工具气动噪声解决方案张杰刘鹏飞郑敏杰北京银景科技有限公司2009年11月目录一、地面交通工具气动分析软件需求 (1)二、北京银景科技地面交通工具气动噪声分析解决方案 (1)三、CFD++/CAA++软件介绍 (1)四、CFD++/CAA++地面交通工具气动噪声分析典型应用 (5)五、总结 (7)一、地面交通工具气动噪声分析软件需求随着地面交通工具的速度越来越快，由于交通工具的运动产生的气动噪声也越来越大。
这种情况下，无论从交通工具的乘坐舒适性还是其对周围居民和建筑物的影响角度来讲，气动噪声的控制问题都变得十分关键。
气动噪声的实验分析作为气动噪声分析最的直接手段，一直以来被广泛采用。
但是由于其对实验设备要求较高，从而运行成本较高，其大规模应用受到一定的限制。
同时，通过实验一般只能得到整体噪声水平的一个评估，对噪声的机理及相关的减噪设计，难以给出确切的结果和设计建议。
通过计算流体力学（CFD）的方法对噪声进行分析，由于其从流动和流场入手，从而可以方便的分析噪声源，对噪声控制和减噪设计给出有意义的分析结果。
但是，目前气动噪声的数值模拟也遇到了一定的困难。
普遍认为，LES方法是求解决气动噪声比较好的办法。
但其只适用于噪声源较强，且观测点离噪声源较近的情况。
如果噪声源较弱，或者离观测点离声源较远的情况，LES方法本身的数值耗散仍然可以将真实的噪声信号掩盖，不能给出很好的计算结果。
另外，LES需要较精细的网格和较大的计算量，只适合于做理论分析，在现阶段仍然难以应用于工程实践。
总之，现阶段地面交通工具需要进行气动噪声分析，同时要求气动噪声的分析手段具有精度较高，计算量不太大，网格质量要求不高，易于使用的特点。
这些都给气动噪声模拟软件提出了很高的要求。
二、北京银景科技地面交通工具气动噪声分析解决方案根据目前地面交通工具气动噪声分析的需求及其面临的问题，北京银景科技有限公司引进了美国Metacomptech公司的气动/气动噪声分析软件CFD++/CAA++作为地面交通工具气动噪声设计分析软件作为解决方案。
汽车空调出风管道气动噪声分析与控制
(3)
式中 :δij 为克罗内克系数 ;μt 为亚格子湍流粘性系 数 ; S ij 是求解尺度下的应变率张量分量. 11 2 FW2H方程
1969 年 Williams 等利用 Light hill 的声学近似 理论推 导 出 了 适 合 流 体 中 运 动 固 体 边 界 条 件 的
FW2H 方程[9 ] :
1 52 a20 5 t2
-
52 5 x2i
p’
=
5
52 xi5
x
j
{
Tij
H(f)}
-
5 5x
i
[
ni
Pδ(
f
)
f
]
+
5 5t
[ρvnδ(
f
)
f ].
(4)
式中 : p’为声压 ; ni 为表面法向量 ; vn 为法向速度 ; a0
为声速 ; Tij 为 Light hill 张量. 方程右侧 3 项分别代
关键词 :气动噪声 ;计算流体力学 ;大涡模拟 ; FW H 声学模型 ;直接边界元 中图分类号 : U461. 1 文献标识码 :A
Numerical Analysis and Cont rol of t he Aerodynamic Noise of Auto motive HVAC Duct
26
湖南大学学报 (自然科学版)
2010 年
图 1 分析流程图 Fig. 1 The analysis flowchart
有采样频率的一半. 气动噪声是宽频带噪声且能量主 要集中在中低频 ,因此本次计算的最高频率设定为 1 000 Hz ,对应的时间步长为0. 000 5 s. 因此总步数 为2 000步 ,每时间步 20 次迭代. 3. 1. 3 仿真结果分析
发动机冷却风扇气动性能的计算方法
211 计算方法选择 采用 F luent612软件对风扇气动性能进行仿真。
该软件提供了两种风扇性能计算的方法: 多重参考 系法 ( MRF ) 和滑动网格法 ( Sliding M esh) 。滑动网 格法比多重参考系法更为准确, 但它属于非稳态求 解, 占用大量的计算资源和计算时间。MRF 方法是 一种稳态算法, 在这种算法中, 风扇及其附近区域定 义在旋转参考系下, 其它区域则定义在静止参考系 下, 风扇相对于旋转参考系是静止的。MRF 方法对 计算资源占用较少, 精度也能满足一般工程要求, 因 此采用 MRF方法对风扇性能进行预测。 212 建立网格模型
510641;
[ Abstract] Ca lculat ion, m odeling and so lut ion techn iques fo r aerodynam ic perform ances of eng ine coo ling fan are presented. T he re lations betw een static pressure, pow er consumpt ion, efficiency and flow rate of a fan are calcu la ted by using CFD so ftw are F luent and validated w ith test resu lts. T hrough investigation into the inner pressure and ve loc ity fie lds o f the fan, the causes for the low effic iency o f the fan are ana lyzed w ith im provem ent schem es proposed. T he results of calculat ion show that t ip clearance has great influence on the perform ances o f a fan and too large a t ip c learance w ill lead to low eff ic iency. So t ip c learance should be reduced o r a ring shou ld be installed around fan tip to im prove the perform ances of the fan.
基于CFD的汽车空气调节系统离心风机流场与气动噪声数值模拟
基于CFD的汽车空气调节系统离心风机流场与气动噪声数值模拟朱正权;陆金桂;尹振华;夏正雷【摘要】基于CFD分析软件Star CCM+,结合计算气动声学理论,对某汽车空气调节系统(HVAC)离心风机工作过程的流场和气动噪声进行数值模拟分析.采用Reynolds平均数值模拟(RANS)标准k-ε湍流模型模拟稳态流场,利用大涡模拟(LES)湍流模型和FW-H方程分析瞬态气动噪声,通过监测离心风机内部和外部布置点测得压力脉动,并由傅里叶变换得到监测点声压级频谱.结果表明,离心风机主要噪声是叶轮旋转产生的离散噪声(达98 dB),可适当增加叶片数,调整叶片间距,以减小离散噪声.本方法可为其他类型风机的气动噪声数值模拟提供一种有效的分析手段.【期刊名称】《郑州轻工业学院学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(000)003【总页数】8页(P101-108)【关键词】汽车空气调节系统;离心风机;气动噪声【作者】朱正权;陆金桂;尹振华;夏正雷【作者单位】南京工业大学机械与动力工程学院,江苏南京211816;南京工业大学机械与动力工程学院,江苏南京211816;南京工业大学机械与动力工程学院,江苏南京211816;南京工业大学机械与动力工程学院,江苏南京211816【正文语种】中文【中图分类】U467.3;TS010 引言随着人们对汽车驾乘舒适性和安全性的要求不断提高，降低车内噪声，成为汽车舒适性研究的重要内容之一.汽车乘员舱空间较小，车内的噪声主要是由离心风机工作时产生的[1].根据国家标准对汽车空气调节系统(HVAC)离心风机噪声的要求，汽车在以较高速度工作时，噪声必须控制在85 dB以下[2].然而现在国产的离心风机大多不能满足噪声标准，噪声声压级通常达100 dB左右，所以对风机降噪的研究迫在眉睫.国内外同行专家对离心风机的噪声和防噪做了很多研究.K.R.Fehse等[3]认为，离心风机低频噪声产生的主要原因是叶轮吸力面位置与前盖板的流动分离.苏强等[4]深入探讨了前向多翼离心风机主要噪声成分的产生机制和影响因素.研究发现，在叶道里控制其气流状态是控制这类噪声的关键，可采用导流或者整流的方式来降低风机噪声.进行噪声控制研究的主要思路如下：通过计算风机内部定常与非定常流动的数值，并结合Lighthill声比拟理论、涡声理论等，分析和识别风机内部主要气动噪声源的位置、类型和强度等；然后采取措施降低主要气动噪声源的强度，从而降低整个风机的气动噪声[5].本文拟基于计算流体力学和气动声学对HVAC离心风机工作过程的流场和气动噪声进行数值模拟分析，以确认对气动噪声影响较大的部分的结构部位，然后将针对这些结构进行系统性的调整优化，为改进离心风机整体声学性能提供依据，同时也为研究其他类型风机的气动噪声提供有效的方法.1 HVAC离心风机数学模型1.1 HVAC离心风机参数某HVAC离心风机主要由风罩、滤芯、叶轮和蜗壳组成.根据分析要求和计算量预判，对不影响模拟的非主要结构做适当的简化处理后，三维模型如图1所示.该离心风机具体参数如下：入口角为70.50°，出口角为151.25°，蜗壳高度为94.919 mm，叶轮高度为76.571 mm，叶轮外径为163 mm，叶轮内径为131.44 mm，叶片平均厚度为1 mm，叶片弦长为12.8 mm，叶片数为45个，蜗舌间隙为11.04 mm.图1 HVAC离心风机简化模型Fig.1Simplified model of HVAC centrifugal fan1.2 湍流模型数值模拟方法的选择常用的k-ε湍流模型数值模拟方法有直接数值模拟(DNS)、大涡数值模拟(LES)和Reynolds平均数值模拟(RANS)3种.3种湍流数值模拟方法的模拟结果近似，RANS在流场细节保留情况较LES模型差，但在计算量上，稳态流场远小于非稳态流场计算.在非稳态噪声计算中宜采用LES方法，其计算精度高，细节保留较好，但由于计算量较大，占用的资源较多，计算时需采用双精度并行计算[6].本文选取了RANS方法计算稳态流场部分，而非稳态流场部分采用LES方法进行数值模拟. 采用LES方法对离心风机的三维瞬态流场和声场进行数值仿真分析，LES方法是近几十年新兴的一种数值模拟研究方法，可以通过精确求解确定尺度的湍流，解决很多非稳态、非平衡方面RANS方法无法求解的问题.LES方法控制方程如下：式中，ρ为流体的密度；t为时间；xi,xj为坐标分量；为过滤后的速度分量；τij为亚格子尺度应力.1.3 气动噪声模型在模拟稳态流场下的宽频带噪声源分布时，有Curle模型和Proudman模型可供选择.Curle模型是边界层噪声源模型，其对固体边界上作用于流体表面压力产生的压力脉动进行积分，通过Curle积分方程来实现.Curle模型针对的噪声源为偶极子躁声源，可以计算流体表面每个单元声功率对总声功率的贡献.Proudman模型可以用于四极子躁声源，是流场内评估声功率的模型，其控制方程和适应条件与Curle模型相同[8].目前，CFD对远场声学的预测策略有两种[9]：一种是基于声传播的直接噪声模拟,另一种是基于积分公式推导求解的噪声模拟.这两种方法被广泛用于研究流体流动的声音生成和声音传播.模拟瞬态噪声远场监测选择Ffowcs Williams-Hawkings(FW-H)方程，FW-H方程是常用的声类比法，其声学积分公式远场噪声预测是首选策略，能够从近场辐射的数据计算远场声信号，这样就可以把压力监测点设置在流场区域外，预测小振幅声波压力波动，大大减少网格数量和计算量，其控制方程[10]为▽2[pH(f)]=其中H(f)为亥维赛得广义函数：式中，f(x,t)=0为表达使用范围的控制方程，ρ0为受扰动前的流体密度，ρij为受扰动前的流场压力，Tij为Lighthill应力张量.2 HVAC离心风机数值模拟2.1 Star CCM+气动噪声分析在 Star CCM+软件中，气动噪声模拟分析流程如图2所示.先采用RANS模拟稳态流场，再通过声场模拟分析稳态噪声分布情况，选择Curle模型和Proudman 模型进行计算.通过网格截止频率(mesh frequency cutoff)函数查看网格密度是否满足频率分析要求.瞬态计算前细化网格是为了获得需要的频率区间，若网格密度不满足要求，需局部加密；若网格密度满足要求，则可以采用LES方法进行非定常瞬态计算.在非稳态计算声压级时，根据稳态下宽频带声场模拟的主要噪声源分布取压力监测点，通过对监测得到的压力脉动进行傅里叶变换，得到声压级频率谱.远场噪声模拟采用FW-H方程或者其他声学仿真软件(如Actran，Sysnoise)进行耦合分析[11].图2 气动噪声模拟分析流程Fig.2Aerodynamic noise simulation analysis flow2.2 网格条件确定在本次模拟中，HVAC离心风机的流体计算域主要有停滞入口、多孔介质区(滤芯)、主流体区域和压力出口4个部分.在Star CCM+软件中网格划分选择多面体网格.由于离心风机的内部结构较为复杂，并且不同流动区域的重要性也不相同，所以叶轮区和蜗舌区域流动不稳定，对流场影响较大.因此，需对叶轮与蜗舌壁面附近网格进行加密处理，以生成质量高且易收敛的流体模型，最终生成的网格体单元数为2.37×106个.在对旋转机械类零件的计算中，Star CCM+ 软件对旋转区域设定有两种不同的网格计算方法，分别是移动参考坐标系(MRF)和刚体运动滑移(RBM)网格.在稳态定常计算中，一般采用的是MRF方法，此时旋转区域的网格相对其他流体区域网格不发生运动，而是将旋转施加到叶轮区域的坐标系上.如果需要研究风机内部流动的动态特征,即在瞬态计算中，往往采用RBM网格，它通过网格随时间运动来进行叶轮旋转的模拟[12].2.3 边界条件设定假设HVAC离心风机在某工况下以较高速度运行，其叶轮转速为2924 r/min.离心风机为自然吸气，因此可定义边界条件为停滞入口与压力出口，出口压力的初始条件为0 Pa.在离心风机稳态流场模拟分析中，采用RANS进行数值模拟.稳态流场分析迭代1000步，残差达到收敛标准1×10-4，且进出口压力、速度监视趋于稳定.进行瞬态分析时，在稳态流场分析的基础上，选择LES湍流模型和FW-H方程，根据分析频率要求为20～20 000 Hz，瞬态分析时间步长取2.5×10-5s，每个时间步长迭代10次，总时间为0.03 s.3 数值模拟结果与分析3.1 流场数值模拟结果与分析经过稳态流场的数值计算，离心风机稳态计算结果如图3所示.由图3可知，随着计算迭代收敛，离心风机的出口压力为151.71 Pa.在实际测试中，转速为2924 r/min时出口处压力约为150 Pa.由此可知流场模拟与实验结果相吻合，这也说明了该流场计算与模型的正确性.为研究离心风机内部流场，取截面(Z=0.55 m)分析内部压力和流动情况.截面处压力云图和速度矢量图如图4所示.由图4可知，在速度矢量图中，存在蜗舌的涡流和出口的回流，这些气体流动不稳定都是产生噪声的来源.流场计算和实验对比结果见表1.由表1可知，计算得到的静压、扭矩和出口速度与实验测量值吻合较好.可以认为，该模拟的基本设置和模型选择是正确的，计算具有参考价值，可为后续气动噪声模拟提供基础和依据.3.2 气动噪声数值模拟结果与分析3.2.1 稳态数值模拟结果与分析在稳态流场模拟的基础上选择气动噪声宽频带噪声源模型，分析稳态下宽频带声场.选择Curle模型分析偶极子噪声源，表面偶极子噪声源云图如图5所示.偶极子噪声主要分布在蜗舌附近，最大为97 dB，叶轮叶片局部噪声达104 dB.蜗舌处产生噪声的主要原因是气流经过此处分为两股气流，大部分气流从出口处流出，还有少部分再次进入蜗壳中，这样此处气流便不稳定，易产生涡流，也会与蜗舌和两侧壁面产生摩擦，从而引起较大的气流噪声.叶轮表面的噪声主要是由气流的快速摩擦引起的气动噪声.图3 HVAC离心风机稳态计算结果图Fig.3HVAC centrifugal fan steady state calculation result diagram图4 离心风机截面压力云图和速度矢量图Fig. 4Pressure cloud and speed vector of centrifugal fan cross section表1 流场计算结果与实验结果的对比Table 1The flow field calculation results compared with the experimental results结果静压/Pa扭矩/(N·m)出口速度/(m·s-1)计算结果151.710.0927.56实验结果150.000.1226.50图5 表面偶极子噪声源云图Fig. 5Dipole noise source surface acoustic power cloud选择Proudman模型分析离心风机内部的四级子噪声源分布情况，结果如图6所示.四级子噪声源分布与流场的湍动能分布一致.在叶轮周围、蜗舌处和出口的局部湍动能大，因此噪声也较大.进行稳态宽频带噪声源分析的主要目的是查找离心风机内重要噪声源的分布，方便在流场内布置监测点，为非稳态噪声分析压力脉动监测提供参考.图6 截面四级子噪声源和湍动能分布图Fig. 6Quadrupole source and turbulence kinetic energy clouds3.2.2 非稳态数值模拟结果与分析为了更进一步地了解离心风机内部流场的流动状态和噪声分布，需要分析非稳态情况下离心风机工作状态的噪声情况.根据稳态分析得到的噪声分布，在湍动能较大处，即主要噪声来源处布置压力监测点，以监测采样时间范围内的压力脉动.各监测点坐标值见表2，图7为监测点在风机内部截面的分布情况.根据HVAC工程规范(ES-6G91-19B55-AA),在距离心风机叶轮转轴中心1 m远的两端装接收器[13]，即在监测点的位置收集数据监测外场噪声情况.将从离心风机内和远场设置的两个监测点得到的压力脉动进行傅里叶变换，得到频域的声压级(SPL)频谱图，如图8所示.表2 HVAC离心风机内监测点坐标Table 2HVAC monitoring point coordinates within centrifugal fan m监测点XYZ监测点XYZP10.360.420.55P70.310.340.53P20.450.450.55P80.280.360.52P30.460.44 0.55P90.310.300.55P40.290.420.55P100.260.260.55P50.280.430.55P110.300. 260.55P60.280.390.53P120.300.260.50图7 截面监测点分布情况示意图Fig.7 The distribution diagram of cross-section monitoring points图8 离心风机内监测点压力时域图与声压级频谱图Fig.8The pressure time domain map and the sound pressure level spectrogram of monitoring points within centrifugal fan由模拟得到声压级频谱图，监测点P4，P7，P12是具有代表性的点，分别代表叶轮、蜗舌和出口3处主要噪声源处，监测点P4处的压力脉动最明显，其噪声声压级最高且有明显的阶次性，是噪声的主要来源，同时也是高频噪声的主要来源.点P7是在蜗舌处的点，蜗舌处的涡流较为明显，导致其在中高频段内的声压级较高，超过90 dB，伴有与旋转噪声相同的谐次波动.离心风机的出口处监测点P12的主要噪声是中高频噪声，大于5000 Hz的高频噪声迅速衰减，低于规定噪声值. HVAC离心风机气动噪声是宽带(涡流)噪声与离散(旋转)噪声的叠加.叶轮叶片间距均匀分布时叶轮旋转噪声的频率计算方法如下：式中，f为频率/Hz；n为叶轮转速/(r·min-1)；z为叶轮叶片数/个；i=1,2,3，…为谐波序列.在数值模拟中，叶轮叶片数z=45 个，转速n=2924 r/min ，经计算得频率f=2193 Hz，对照叶轮内测点P4声压级图，各峰值均在对应的旋转噪声频率上相吻合.在Star CCM+中渗透表面法的渗透表面是交界面，可以评价四极子密度，根据FW-H方程和渗透表面法分析得到远场监测点的声压级频谱图(如图9所示).从图9可以看出，前3阶谐波噪声峰值均超过规定标准，其中基频噪声最大值达98 dB.而实验测得在此工况下的最大噪声为96 dB，其误差主要是环境条件和仪器精度造成的，但模拟值误差在允许误差范围内.图9 远场监测点声压级频谱图Fig.9The sound pressure level spectrogram of the far-field monitoring point4 结论本文基于计算流体力学和气动声学理论，采用CFD分析软件Star CCM+对某HVAC离心风机工作过程的流场和气动噪声进行了数值模拟分析，得到如下结论.1)采用RANS和LES模型计算三维瞬态流场和噪声，计算精确度较高.数值模拟结果表明，该离心风机的主要噪声源是叶轮的旋转噪声(达98 dB)，其次是蜗舌和出口的流动不稳定产生的涡流和回流.2)针对离心风机在蜗舌附近有大量涡流分布且不稳定的情况，一般地，改变蜗舌角度和间距是蜗舌处降噪的常用方法.当出口处和流道中出现回流和涡流时，可以通过在蜗壳上加导流板改善流场流动，使其尽可能少地出现涡流，以降低宽带噪声.3)离心风机叶轮旋转产生的离散噪声是其主要噪声源，且叶轮叶片数越多，叶轮旋转噪声频率间隔也越大，因此可以通过适当增加叶片数,调整不均匀叶片间距，以减小旋转时产生的噪声.通过远、近场监测点声压级频谱分析，可为了解和改进该离心风机整体声学性能提供有利依据，同时也可为研究其他类型风机的气动噪声提供有效的分析方法.参考文献:【相关文献】[1] 康强,左曙光,韩惠君.汽车空调系统离心风机气动噪声数值计算[J].江苏大学学报(自然科学版),2013,34(1):1.[2] 刘秋洪,祁大同,曹淑珍,等.离心风机气动声学分析的一个理论模型和计算方法[J].西安交通大学学报,2004,38(3):313.[3] FEHSE K R,NEISE W.Generation mechanisms of low-frequency centrifugal fan noise[J].AIAA Journal,1999,37(10):1173.[4] 苏强,陈花玲.前向式多叶片离心通风机噪声机理及治理研究[J].噪声与振动控制,1995(4):6.[5] 赵忖,祁大同,毛义军,等.离心风机气动噪声控制的理论与实验研究[J].风机技术,2013(6):24.[6] 李启良,钟立元,王毅刚,等.汽车空调气动噪声数值与试验研究[J].同济大学学报(自然科学版),2016,44(4):620.[7] 叶福民,冯露,陈文杰,等.离心风机的内部流场数值模拟及噪声预估[J].江苏科技大学学报(自然科学版),2014,28(2):155.[8] 常小坡.大客车空调系统流体噪声模拟及优化[D].厦门:集美大学,2015.[9] MAO Y,GU Y,QI D,et al.An exact frequency-domain solution of the sound radiated from the rotating dipole point source[J].Journal of the Acoustical Society of America,2012,132(3):1294.[10] CAI J,QI D,LU F,et al.Study of tonal fan noise reduction by modification of the volute c utoff[J].ACTA United with Acustica,2010,96(6):1115.[11] 冉苗苗.多翼离心风机的CFD分析及噪声预测[D].武汉:华中科技大学,2007.[12] LIU Q,QI D,TANG putation of aerodynamic noise of centrifugal fan using large eddy simulation approach,acoustic analogy,and vortex sound theory[J].Journal of Mechani cal Engineering Science,2007,221(11):1321.[13] 毛义军,祁大同,徐长棱,等.叶片与蜗舌耦合对离心风机性能和旋转噪声影响的数值研究[J].应用力学学报,2006,23(3):368.。
基于CFD的发动机冷却风扇噪声计算
基于CFD的发动机冷却风扇噪声计算
王益有;吴敏;刘敦绿
【期刊名称】《机械工程师》
【年(卷),期】2009(000)011
【摘要】通过建立风扇在半消声室内的简化模型、划分网格,利用
CFD(Computational Fluid Dynamics)软件Fluent对其进行稳态计算,并根据获得的稳态流场数据利用软件中的FW-H噪声模型得到风扇的噪声.文中对外径相同的两款风扇进行了噪声计算,并将计算结果与半消声室内两风扇的测试噪声进行了对比.结果表明,文中的稳态计算风扇噪声的方法是可行的,在工程实际中可用于风扇设计初期的噪声计算.
【总页数】3页(P11-13)
【作者】王益有;吴敏;刘敦绿
【作者单位】华南理工大学,机械与汽车工程学院,广州,510641;华南理工大学,机械与汽车工程学院,广州,510641;宁波雪龙有限公司,浙江,宁波,315806
【正文语种】中文
【中图分类】U262.23
【相关文献】
1.基于CFD的发动机冷却风扇仿真优化研究 [J], 张代胜;李浩;蔡少波
2.基于 ST AR-CCM + 的发动机冷却风扇 CFD 仿真分析 [J], 孟庆林;尹明德;朱朝霞
3.基于CFD的发动机冷却风扇气动性能仿真研究 [J], 刘涛;王冬
4.基于CFD的发动机冷却风扇性能仿真分析 [J], 朱传敏;吴秀丽
5.基于CFD的发动机冷却风扇气动噪声分析 [J], 曾超;刘伦伦;高建红;段良坤;张鲁滨
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基于CFD的发动机冷却风扇气动噪声分析
柴油机设计与制造
曾超， 等： 基于 ＣＦＤ 的发动机冷却风扇气动噪声分析
２０２１ 年 ／ 第 ２７ 卷 ／ 第 ２ 期
图 ８ 环形风扇叶片表面静压分布
图 ６ 风筒内部流场
的声比拟模型 ［８］ ， 设置噪声源和监测点， 继续迭代
相同步数至声场仿真完成。
ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｆａｎ ｗａｓ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｍｏｄｉｆｉｅｄ ｍｏｄｅｌ， ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈｅｒｅ ｗｅｒｅ ｓａｍｅ ｔｒｅｎｄ ｉｎ
ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｍｅａｓｕｒｅ ｐｏｉｎｔ ａｎｄ ｐｒｏｖｅｄ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ． Ｔｈｉｓ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｃａｎ ｏｆｆｅｒ ｓｕｐ⁃
５． ０
５． ３
６． ６
６． ８
８． ３
８． ９
图 ４ ＭＲＦ 区域细化网格模型
测试静压 仿真静压 误差 测试效率 仿真效率
Ｐａ
Ｐａ
（％ ）
（％ ）
（％ ）
１ ２６７． １
１ ３４３． ６
６． １
２６． ２
２７． ８
１ ０２４． ７
１ ０５８． ７
３． ４
３４． ６
３５． ９
１ ０７４． ３
７４１． ０
时域上 ３ 个监测点的声压信号转换为频域上的声压
频谱 ［９］ ， １ ９００ ｒ ／ ｍｉｎ 工况下， 测点 ３ 位置风扇线
性频谱如图 １０ 所示。
表 ３ 仿真结果与测试结果数据
流量
ｍ３ ／ ｓ
４． ９
５． ７
轿车发动机冷却风扇CFD仿真分析及降噪研究_耿丽珍
前言
近年来 , 人们对汽车的舒适性和振动噪声控制 的要求越来越高 。车内普遍安装了空调系统和排气 净化装置等 , 使发动机罩内温度上升 , 冷却风扇负荷 加大 , 噪声问题变得更为严重 , 因此对发动机的冷却 风扇提出了更高的要求[ 1] 。
2009年 (第 31卷 )第 7期
汽 车 工 程 AutomotiveEngineering
20 09(Vol.31)No.7
2009135
轿车发动机冷却风扇 CFD仿真分析及降噪研究
耿丽珍1 , 袁兆成 1 , 李传兵 2 , 兰靛靛2 马家义1 , 李盛成 1
(1.吉林大学内燃机系 , 长春 130025;2.长安汽车工程研究院 , 重庆 401120)
散热风扇 冷凝风扇
转速 /r· min-1 1 820 2 210 2 350
试验噪声 /dB 73.2 76.8 71.5
仿真噪声 /dB 76.3 80.2 72.2
(3)风扇叶片曲率的影响 风扇叶片曲率对风 扇性能的影响如图 12所示 。
由表 1和表 2 可见 :两个主要指标 —质量流量 和噪声 的试 验 值 与计 算 值 的误 差 都 在允 许 范 围 (5%)之内 , 说明仿真模型是可靠的 , 仿真分析结果 是可信的 。 仿真结果和试验值有一定的误差 , 分析 差别有以下几个原因 :(1)在仿真计算时对 风扇模 型进行了一定程度的简化 ;(2)在进行仿真计算时 , 由于划分网格的限制 , 去掉一些小曲面 , 将风扇罩简 化为圆筒型和实际模 型略有不同 ;(3)试验 过程的 测量误差以及仿真分析方法固有的误差等 。
风筒采用内表面光滑的圆形截面管 , 与其它连 接件圆滑过渡 。在风筒的稳流段内的测量平面内均 匀布置 4个测压孔 , 用 U型管压力计测得风扇的进 口静压 , 用以计算风扇的静压 。
发动机冷却风扇气动噪声仿真分析
发动机冷却风扇气动噪声仿真分析发动机冷却风扇气动噪声仿真分析刘方圆洛阳拖拉机研究所有限公司，洛阳 471039Tel：0379-********，Email：********************摘要选取发动机冷却风扇为研究对象，以CFD和CAA理论为基础，采用分步耦合方法进行噪声值预测。
不考虑风架、护风圈等部件对流场的影响，通过DES方法进行瞬态计算得到风扇表面时域压力脉动。
结合基于FW‐H的声类比理论预测风扇远场噪声，对发动机风扇气动噪声进行声压频谱分析，为降噪设计提供参考。
关键词冷却风扇气动噪声压力脉动0引言近年来，随着乘员对舒适性要求日益提高，法律法规日趋完善，如何降低发动机噪声问题作为一个重要方向逐渐受到广泛关注。
冷却风扇噪声是发动机主要噪声源之一，包括气动噪声和振动噪声等，其中以气动噪声为主导[1]。
因此，降低冷却风扇气动噪声对降低发动机整体运行噪声起着至关重要的作用。
随着CFD技术和计算机硬件的发展，仿真分析逐渐应用到风扇的优化设计过程中。
与传统的以试验为主的优化设计方法不同，在保证产品质量前提下，CFD技术能有效缩短设计周期，降低设计成本。
耿丽珍等利用CFD对轿车发动机冷却风扇进行了降噪研究[2]，张代胜等基于CFD对发动机冷却风扇进行了仿真与优化[3]。
本文以发动机冷却风扇为研究对象，结合CFD和CAA理论，采用分步耦合方法[4]进行噪声值预测。
不考虑风架、护风圈等部件对流场的影响，通过DES方法进行瞬态计算得到风扇表面时域压力脉动。
结合基于FW‐H的声类比理论预测风扇远场噪声，对发动机风扇气动噪声进行声压频谱分析，为降噪设计提供参考。
1计算理论及方法1.1计算模型及计算域研究对象为10叶片等距机翼风扇，直径Φ1=510mm，轮毂直径Φ2=194mm。
发动机冷却风扇由叶片和轮毂组成，风扇总成还包括风扇框架和护风圈；风扇上游存在发动机舱入口格栅、散热器、冷凝器等部件，风扇下游存在动力总成及其附件等结构。
汽车风振噪声的CFD仿真研究现状
图 "! 风振噪声产生示意图
?@ 研究概况
! ! 早期对风振噪声的研究依赖于风洞试验或者实 车道路试验。通常， 工程师需要等待设计阶段的原 型出来后才能进行风振噪声的测试。风振噪声可以 用声级计测出， 但是引起噪声的压力波却难以测量， 因此， 很难知道汽车的哪些部分影响了风振噪声， 更 谈不上如何减小它。唯一可行的 法就是修改原型 并且测试修改后对风振的影响， 然后再修#34;# +’,-./0’)1 )1 2%3’4.% 5’16 7-**%0’18
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车用风扇气动噪声的CFD计算
范士杰
(一汽技术中心 长春，130011）)
摘 要：国家标准(GB1495-2002)对降低车外噪声提出了明确的要求，而车用冷却风扇是汽车的主要噪声源之一，对车用风扇的气动噪声进行预测分析，对于降低汽车噪声具有重要意义。
由于噪声计算的复杂性，国内用CFD方法预测气动噪声尚处于开始阶段。
一汽技术中心使用Fluent软件对自由空间中风扇的气动噪声进行了预测分析，采用了如下技术：用大涡模拟计算非定常流场；滑移网格；声学计算采用FW-H模型；并行计算。
与试验结果的对比表明，在观测点处计算预测的声压级与试验结果吻合较好，为分析研究风扇等旋转机械的气动噪声提供了有效的手段。
关键词：噪声 大涡模拟 风扇 CFD
0 引 言
空气动力噪声问题广泛存在于工程界（车辆、家电、机电设备等），预测并降低各种设备中风扇/风机等旋转机械的气动噪声具有普遍的意义。
国家标准(GB1495-2002)对车外噪声提出了明确的限制（2005年以后实行更严格的标准），实测结果指出[1]，冷却风扇是汽车的主要噪声源之一。
由于噪声计算的复杂性，国内对气动噪声的计算分析多以经验公式和简化的理论模型为主，用CFD分析的方法对气动噪声进行数值预测尚处于开始阶段。
用CFD方法计算声场之前，首先要计算非定常的三维流场，得到准确的压力波动等流动变量，为此需采用高级湍流模式（如LES），使计算量大增。
由于噪声能量在流场总能量中只占很小的比例，故对计算的误差要求较高，提高了正确收敛的难度。
Fluent6.2版增加了对旋转机械声学计算的支持。
作者使用Fluent6.2在IBM并行机上对车用冷却风扇的气动噪声进行了CFD计算分析，用大涡模拟计算非定常流场，用FW-H模型计算声场，得到了在若干观测点处的噪声频谱，与消声室中实际测试所得频谱吻合较好，所使用的方法亦适用于各种旋转机械的气动噪声和外流场噪声的预估及设计改进。
1计算模型
以实际使用的冷却风扇为计算对象，几何模型和计算域如图1所示，采用四面体无结构网格，网格数约为180万，在风扇区与相邻区域之间采用滑移网格(moving mesh)。
风扇转速为1000转/分。
2个观测点距离风扇中心均为1米，位置如图2所示。
_____________________________________
作者简介：范士杰，男，高级工程师，硕士，长期从事汽车空气动力学及CFD分析研究。
采用三维不可压湍流计算非定常流场，湍流模型采用大涡模拟，非耦合隐式解法，多
CPU 并行计算。
图3为计算中力矩收敛情况，后期反映出风扇对转轴力矩的周期性变化。
流场计算收敛后激活声学模块，采用FW-H 模型计算声场，在Acoustics Model/Sources 中定义风扇表面为声源，在Acoustics
Model/Receivers 中给定上述2个观测点。
计算完成后对2个观测点的数据进行FFT 变换，绘出噪声频谱（声压级），及其它有关图形。
2 计算/试验结果
根据现有风扇噪声理论[2]，风扇的气动噪声由
湍流噪声和旋转噪声组成，其中湍流噪声为宽带噪
声，旋转噪声由叶片旋转引起的压力波动产生，其
基频为：
高次谐波为基频的倍数。
对于本文算例，z=7，n=1000，基频为f 1=116.7 hz 。
风扇噪声频谱应为湍 流噪声和旋转噪声二者合成。
CFD 计算在2个观测点处得到的噪声（声压级）频谱和消声室中实际测试相应的噪声（声压级）频谱分别如图4、图5所示，二者基本吻合，均在基频处取得最大值，在观测点1二者最大值相差约6dB，在观测点2二者最大值相差约5dB（计算值均较小）。
图1 几何模型和计算域 图2 观测点位置 图4 观测点1的计算频谱（左）和试验频谱
对转速为3000转/分的情形也进行了CFD 分析，结果与1000转/分类似，略。
图6、图7分别为风扇表面的速度分布和压力分布。
计算结果和试验结果均表明，在转速为1000转/分时，基频及高次谐波有比较明显的影响，基频处的声压级最大。
转速增加到3000转/分时，噪声增大，基频及高次谐波的影响相对下降，但基频处的声压级仍为最大，在1500－2000hz 处出现第二峰值。
CFD 计算的最大声压级比试验值小，应当注意到试验工况与计算不完全相同，CFD 计算域模拟自由空间，而试验中风扇位于地面以上一米处，且有电机、支架等。
考虑到地面声音反射以及电机、支架等的干扰，试验的声压级略大应为合理。
3 结束语
国内对旋转机械空气动力噪声的计算分析多以经验公式和简化的理论模型为主，或以流场分析的结果间接分析气动噪声。
本文用
CFD 方法对某车用冷却风扇的气动噪声直接进行了数值预测，采用大涡模
拟计算三维非定常流场（通常需要并行计算的支持），提高流场计算的可信度，用FW-H 模型计算声场，
图
5 观测点
2的计算频谱（左）和试验频谱
得到若干观测点处的噪声频谱，与消声室中实际测试所得频谱吻合较好， 揭示了利用CFD分析进行空气动力噪声分析的可行性，对于工程中改进风扇等旋转机械的设计，降低气动噪声提供了有力的手段，对于提升产品质量与开发能力具有实际应用价值。
参考文献：
[1] 孙世东等，降低汽车加速行驶车外噪声的试验研究，客车技术，2005（1）：42－44
[2] 钱人一，汽车发动机噪声控制，上海，同济大学出版社，1997. 172
CFD Analysis of Vehicle Fan Noise
Fan Shijie
China FAW R&D Center（Changchun,130011）
Abstract：The level of automobile noise was definitely restricted by the national standard. One of the main noise sources is due to the cooling fan in vehicle. It is very meaningful to predict the noise of cooling fan and reduce the overall noise level of vehicle. Because of the complexity of noise problem, the noise simulation by using CFD methods is just beginning in China. The China FAW R&D Center has successfully predicted the noise of fan in free space by using Fluent software. Some key functions of Fluent software were used in this simulation: LES model for solving unsteady flow, moving mesh for fan’s rotating, FW-H model for acoustic modeling and high performance of parallel processing, etc. Compared with the experiment results, the SPL at receivers is predicted rightly. The capability of CFD analysis to simulate noise of turbo-machinery is well qualified.
Key words： LES，noise，fan，CFD。