汽车用风扇气动噪声的CFD计算

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。