王惠茹，呂國(guó)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(dòng)機(jī)風(fēng)扇氣動(dòng)噪聲的聯(lián)合仿真

王惠茹，呂國(guó)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(dòng)機(jī)風(fēng)扇為研究對(duì)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(dòng)機(jī)風(fēng)扇流場(chǎng)和聲場(chǎng)分布。將計(jì)算結(jié)果與半消音室內(nèi)的風(fēng)扇測(cè)試噪聲進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了聯(lián)合仿真計(jì)算風(fēng)扇噪聲方法的準(zhǔn)確性。在工程實(shí)際中可用于對(duì)風(fēng)扇性能的初步檢測(cè)，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(dòng)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(gè)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(gè)冷卻系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)之一。

就目前國(guó)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(dòng)噪聲的研究主要源于經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、公式的積累，無論是風(fēng)扇的設(shè)計(jì)還是性能評(píng)價(jià)，都是建立在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)之上。Khelladi，S等人建立了一個(gè)空氣聲學(xué)基礎(chǔ)模型，并運(yùn)用霍金方程預(yù)測(cè)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(shí)驗(yàn)研究在風(fēng)扇前使用單個(gè)揚(yáng)聲器對(duì)于降低噪聲的可行性［2］。Sorguven等對(duì)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(píng)估預(yù)測(cè)噪聲級(jí)和風(fēng)扇性能［3］。王斌、吳錦武、陳志軍以某 4缸發(fā)動(dòng)機(jī)為例，采用聲壓測(cè)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(yàn)研究這種方法設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、成本高，產(chǎn)品質(zhì)量也不理想。隨著仿真計(jì)算方法以及計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值仿真已經(jīng)成為氣動(dòng)噪聲仿真、預(yù)測(cè)、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(jì)算軟件F1uent和LES大渦模型對(duì)軸流風(fēng)扇氣動(dòng)噪聲進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了軸流風(fēng)扇氣動(dòng)噪聲產(chǎn)生機(jī)理，驗(yàn)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(cè)氣動(dòng)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(chǎng)與聲場(chǎng)的分布，即以某款發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇為研究對(duì)象，運(yùn)用F1uent計(jì)算其穩(wěn)態(tài)壓力場(chǎng)，將其作為邊界條件導(dǎo)入到 LMS Virtual Lab中，利用acoustic模塊計(jì)算其氣動(dòng)噪聲。最后將數(shù)值仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比以驗(yàn)證仿真方法的準(zhǔn)確性。

1 Fluent的流場(chǎng)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(jì)算結(jié)果精度，故而要對(duì)風(fēng)扇有限元模型進(jìn)行幾何清理，將一些對(duì)風(fēng)扇流場(chǎng)和聲場(chǎng)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(yàn)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(gè)部分。入口區(qū)流場(chǎng)長(zhǎng)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(chǎng)與出口流場(chǎng)的長(zhǎng)度均設(shè)為3000mm。

圖2 邊界區(qū)域的劃定

在數(shù)值計(jì)算中，計(jì)算網(wǎng)格的質(zhì)量直接決定著計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度。考慮到風(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(duì)模型進(jìn)行離散，得到2273705個(gè)單元、462163個(gè)節(jié)點(diǎn)，風(fēng)扇流場(chǎng)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(chǎng)網(wǎng)格

圖4 旋轉(zhuǎn)區(qū)網(wǎng)格

在風(fēng)扇計(jì)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(dòng)”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(duì)各邊界條件進(jìn)行設(shè)定。在進(jìn)口給定流動(dòng)總壓為大氣壓力，流動(dòng)方向?yàn)檠剌S向進(jìn)氣。通流區(qū)的流動(dòng)屬于湍流運(yùn)動(dòng)，理論上流場(chǎng)分析認(rèn)為風(fēng)扇內(nèi)部流體為不可壓縮氣體；流動(dòng)中無熱量交換，采用非定常計(jì)算；計(jì)算中忽略重力對(duì)流場(chǎng)的影響。

1.3 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)機(jī)噪聲預(yù)測(cè)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(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［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(shí)間步長(zhǎng)為1×10-6，0.05s的仿真結(jié)果，計(jì)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(dòng)噪聲的仿真計(jì)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(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。

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(jì)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(chǎng)點(diǎn)網(wǎng)格

如圖7所示，場(chǎng)點(diǎn)網(wǎng)格為距離風(fēng)扇1000 mm處的一個(gè)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(zhǎng)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(chǎng)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(yàn)與仿真結(jié)果驗(yàn)證

3.1 風(fēng)扇的性能試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)方案主要內(nèi)容包括 1）選擇試驗(yàn)場(chǎng)地：主要是在一個(gè)半消音環(huán)境下進(jìn)行；2）選定一個(gè)測(cè)量的工況：與仿真分析的工況一致；3）測(cè)點(diǎn)的布置：將傳感器至于風(fēng)扇的出口處1m的位置，試驗(yàn)相關(guān)圖片如圖9所示；4）進(jìn)行噪聲測(cè)試。

圖9 噪聲試驗(yàn)裝置圖

3.2 結(jié)果對(duì)比

試驗(yàn)所測(cè)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(duì)比如表1所示。

表1 結(jié)果對(duì)比

由表1對(duì)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果為74.1dB，誤差為3.1%。

4 結(jié)論

通過對(duì)一款風(fēng)扇氣動(dòng)噪聲的仿真計(jì)算，并將結(jié)果與試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)值有差別，其原因是仿真計(jì)算時(shí)對(duì)模型進(jìn)行了一些簡(jiǎn)化；網(wǎng)格的精度不夠高；實(shí)驗(yàn)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(duì)發(fā)動(dòng)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(dòng)噪聲仿真中的應(yīng)用［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)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(xiàng)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