康 強(qiáng),左曙光,韓惠君,韋開(kāi)君

(同濟(jì)大學(xué)新能源汽車(chē)工程中心，上海 201804)

前言

目前，燃料電池汽車(chē)研發(fā)的重點(diǎn)是動(dòng)力系統(tǒng)的集成和控制，以及動(dòng)力系統(tǒng)關(guān)鍵部件的開(kāi)發(fā)，對(duì)于其振動(dòng)和噪聲的研究尚未引起足夠重視。實(shí)際上處于開(kāi)發(fā)階段的燃料電池車(chē)的噪聲水平與商業(yè)化的汽油車(chē)和柴油車(chē)相比并不具有明顯優(yōu)勢(shì)，最主要的原因是燃料電池車(chē)上的空氣輔助系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱(chēng)“空輔系統(tǒng)”)產(chǎn)生很大的噪聲[1]。

本文中研究的燃料電池轎車(chē)雖然消除了內(nèi)燃機(jī)這個(gè)噪聲源，但卻增加了電機(jī)、燃料電池系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)等噪聲源，使振動(dòng)噪聲源發(fā)生了根本的改變?？蛰o系統(tǒng)為燃料電池提供壓縮空氣，其中的空氣壓縮機(jī)在工作時(shí)產(chǎn)生明顯噪聲，而空氣濾清器在大進(jìn)氣量時(shí)，會(huì)產(chǎn)生嘯叫聲。此外，驅(qū)動(dòng)電機(jī)-變速器總成、冷卻水泵、空調(diào)壓縮機(jī)和動(dòng)力轉(zhuǎn)向泵等作為運(yùn)動(dòng)件也將對(duì)車(chē)內(nèi)噪聲產(chǎn)生影響。測(cè)試結(jié)果表明，空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲是燃料電池車(chē)的主要噪聲源，其噪聲特性為高頻、尖銳，聲品質(zhì)差[1]。文獻(xiàn)[2]中對(duì)一輛重型載貨車(chē)的燃料電池空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)的噪聲進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并提出了一些被動(dòng)噪聲控制方法。文獻(xiàn)[3]中介紹了對(duì)NuCellSys新一代空輔系統(tǒng)(采用渦旋式壓縮機(jī))采取的降噪措施。國(guó)內(nèi)對(duì)燃料電池空輔系統(tǒng)用空氣壓縮機(jī)的研究仍處于初級(jí)階段。大部分研制的壓縮機(jī)在能夠滿(mǎn)足流量、壓力和效率的情況下并不能滿(mǎn)足振動(dòng)和噪聲的要求，因此低噪聲和小型化技術(shù)是空氣壓縮機(jī)研究的一個(gè)關(guān)鍵方向。

本文中研究的燃料電池汽車(chē)采用的空氣壓縮機(jī)為旋渦風(fēng)機(jī)，其高頻噪聲對(duì)車(chē)內(nèi)外噪聲貢獻(xiàn)很大。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)旋渦風(fēng)機(jī)的研究主要應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，對(duì)于其具體的噪聲機(jī)理及其相應(yīng)的降噪方法的研究還不多見(jiàn)[4]。通常在加裝了消聲器后，旋渦風(fēng)機(jī)的噪聲值為70～80dB(A)，對(duì)于壓縮機(jī)或鼓風(fēng)機(jī)來(lái)說(shuō)是較低的。但對(duì)燃料電池轎車(chē)來(lái)說(shuō)，由于取消了內(nèi)燃機(jī)等傳統(tǒng)汽車(chē)上的噪聲源，旋渦風(fēng)機(jī)的噪聲更顯突出。因此，對(duì)燃料電池轎車(chē)旋渦風(fēng)機(jī)的噪聲進(jìn)行深入的研究具有重要的工程意義。

1 旋渦風(fēng)機(jī)振動(dòng)噪聲臺(tái)架測(cè)試

為進(jìn)一步研究旋渦風(fēng)機(jī)自身的振動(dòng)和噪聲特性，以便從源頭上進(jìn)行控制，設(shè)計(jì)加工了旋渦風(fēng)機(jī)振動(dòng)噪聲測(cè)試臺(tái)架，可分別測(cè)試進(jìn)出口管道和進(jìn)出口消聲器對(duì)旋渦風(fēng)機(jī)噪聲的影響。測(cè)試臺(tái)架主要由旋渦風(fēng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、變頻器、消聲器、蝶閥、進(jìn)出口管路、渦街流量傳感器、壓力傳感器、鋼絲軟管和支架等組成。為減少電機(jī)噪聲對(duì)風(fēng)機(jī)噪聲的影響，將電機(jī)用吸音材料包裹起來(lái)。

根據(jù)GB T2888—1991《風(fēng)機(jī)和羅茨鼓風(fēng)機(jī)噪聲測(cè)量方法》和ISO 3744，在旋渦風(fēng)機(jī)周?chē)贾寐晫W(xué)麥克風(fēng)測(cè)點(diǎn)位置，如圖1所示。

試驗(yàn)測(cè)試了多種工況，本文中只研究風(fēng)機(jī)進(jìn)出口不帶消聲器并用管道將進(jìn)出口氣流引向室外時(shí)風(fēng)機(jī)所產(chǎn)生的噪聲。根據(jù)旋渦風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍測(cè)試了風(fēng)機(jī)在穩(wěn)定轉(zhuǎn)速(1 000～3 800r/min、間隔400r/min)和加速工況下的振動(dòng)與噪聲信號(hào)。

將半球面上5個(gè)測(cè)點(diǎn)的聲壓級(jí)取對(duì)數(shù)平均，得到旋渦風(fēng)機(jī)平均聲壓級(jí)隨轉(zhuǎn)速的變化曲線，如圖2所示。它在1 000r/min時(shí)的聲壓級(jí)僅為55dB(A)，在3 800r/min時(shí)達(dá)到78dB(A)，跟轉(zhuǎn)速基本成線性關(guān)系。

加速工況下C2點(diǎn)的噪聲云圖見(jiàn)圖3。

由圖3可以看出，旋渦風(fēng)機(jī)噪聲的主要峰值頻率為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)頻的55倍及其諧頻，此外，在相對(duì)較低的500～1 300Hz范圍內(nèi)也存在較高的峰值。其中55倍為葉片通過(guò)頻率，而500～1 300Hz為風(fēng)機(jī)殼體和葉輪的前幾階模態(tài)頻率范圍，故在此頻率范圍內(nèi)輻射的噪聲較高，尤其是在高轉(zhuǎn)速時(shí)。為研究其噪聲產(chǎn)生的原因和規(guī)律，以數(shù)值仿真的方法計(jì)算旋渦風(fēng)機(jī)內(nèi)流場(chǎng)特性及其遠(yuǎn)場(chǎng)輻射噪聲，為以后的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

2 旋渦風(fēng)機(jī)內(nèi)流場(chǎng)的計(jì)算與分析

2.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)

所研究的旋渦風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖4和圖5所示，其相應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1。

2.2 網(wǎng)格劃分

為更準(zhǔn)確地設(shè)定進(jìn)出口邊界條件和加快計(jì)算的收斂，將進(jìn)出口段分別沿各自方向延長(zhǎng)一段。計(jì)算域由4部分組成：進(jìn)口流域、葉片旋轉(zhuǎn)區(qū)域、蝸殼區(qū)域和出口流域。為適應(yīng)旋渦風(fēng)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，采用多塊網(wǎng)格生成方法構(gòu)建高質(zhì)量非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格?？紤]到不同流動(dòng)區(qū)域的重要性差異，對(duì)旋轉(zhuǎn)葉輪內(nèi)部、拐角和間隙處壁面附近的網(wǎng)格進(jìn)行了加密，最終生成的網(wǎng)格有550萬(wàn)個(gè)單元,如圖6所示。

表1 旋渦風(fēng)機(jī)流道主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.3 CFD模型設(shè)置

CFD計(jì)算包括三維黏性可壓縮流的定常和非定常計(jì)算。定常計(jì)算的湍流模型采用RNGk-ε模型，近壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，壓力-速度的耦合采用SIMPLE方法。將定常計(jì)算的結(jié)果作為非定常計(jì)算的初值。非定常計(jì)算采用離散渦模擬(DES)，其中小尺度渦的模擬采用基于混合長(zhǎng)度理論的亞格子Smagorinsky模型。非定常計(jì)算的壓力-速度耦合采用PISO方法。壓力項(xiàng)、動(dòng)量項(xiàng)、湍動(dòng)能和湍流耗散率項(xiàng)的離散都采用2階迎風(fēng)格式，時(shí)間項(xiàng)離散采用2階隱式格式。旋轉(zhuǎn)葉片與殼體之間的動(dòng)靜交界面置于葉頂間隙的中間位置。對(duì)于定常計(jì)算，采用多參考坐標(biāo)系MRF模型處理動(dòng)靜交界面；對(duì)于非定常計(jì)算，采用滑移網(wǎng)格技術(shù)。CFD計(jì)算邊界條件如下。

進(jìn)口邊界條件：水力直徑為53mm，給定進(jìn)口壓力，取相對(duì)壓力為0。

出口邊界條件：水力直徑為53mm，給定出口壓力，取相對(duì)壓力為20kPa。

本文中共設(shè)定了風(fēng)機(jī)的4個(gè)轉(zhuǎn)速進(jìn)行計(jì)算：1 400、2 200、3 000和3 800r/min。每個(gè)工況設(shè)定葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)一圈為800個(gè)步長(zhǎng)。相應(yīng)的計(jì)算參數(shù)呈現(xiàn)周期性變化后即認(rèn)為收斂。

此外，在流場(chǎng)內(nèi)部設(shè)置一些監(jiān)測(cè)點(diǎn)和監(jiān)測(cè)面，可以反映葉輪旋轉(zhuǎn)過(guò)程中流場(chǎng)內(nèi)部的壓力波動(dòng)情況。從入口到出口設(shè)定5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，以監(jiān)測(cè)葉片和隔舌上的壓力隨時(shí)間的變化歷程，如圖7所示。

2.4 計(jì)算結(jié)果

圖8為3 000r/min工況下旋渦風(fēng)機(jī)內(nèi)流場(chǎng)壓力云圖?？梢钥闯觯鋲毫娜肟诘匠隹诰鶆蛟龃?。渦聲理論把輻射的噪聲大小與渦量聯(lián)系起來(lái)，主要關(guān)心流場(chǎng)中渦量的大小、變化和運(yùn)動(dòng)情況，對(duì)流場(chǎng)中細(xì)節(jié)問(wèn)題和復(fù)雜流動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行了簡(jiǎn)化。圖9為瞬時(shí)渦量云圖，由圖可見(jiàn)，流道中前半部分渦量大于后半部分的渦量，表示流道內(nèi)的前半部分是主要的氣動(dòng)噪聲源。

圖10為旋渦風(fēng)機(jī)葉輪表面聲功率級(jí)的分布，由圖可見(jiàn)，噪聲最強(qiáng)的位置也是位于從入口至大約流道中部的葉輪葉片上，與渦量分析的結(jié)果一致。

圖11分別為不同轉(zhuǎn)速工況下得到的監(jiān)測(cè)點(diǎn)p2、葉片和出口隔舌的壓力脈動(dòng)信號(hào)頻譜圖。從圖中可見(jiàn)：在靜止的p2點(diǎn)和隔舌上，壓力脈動(dòng)均反映出明顯的55倍頻，并且隨著轉(zhuǎn)速的升高其峰值逐漸增大；而旋轉(zhuǎn)的葉片上的壓力脈動(dòng)則反映出42倍頻，正好等于進(jìn)口到出口流道無(wú)隔板區(qū)域內(nèi)的葉片數(shù)量，如圖4和圖7所示。這是由于旋轉(zhuǎn)葉片在經(jīng)過(guò)隔板時(shí)，由于隔板有一個(gè)傾斜角度，使經(jīng)過(guò)隔板的葉片周?chē)鲌?chǎng)逐漸減弱，直到基本消失，故葉片上的壓力脈動(dòng)表現(xiàn)為42倍，且頻譜峰值模糊，不如55倍頻清晰；此外，在3 000r/min以上時(shí)，葉片上壓力脈動(dòng)頻率反映出500～1 000Hz的成分，對(duì)應(yīng)于旋渦風(fēng)機(jī)在高轉(zhuǎn)速下試驗(yàn)測(cè)試的噪聲信號(hào)頻譜。可見(jiàn)，旋渦風(fēng)機(jī)噪聲主要由流場(chǎng)內(nèi)部壓力波動(dòng)引起，其頻率具有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。

3 旋渦風(fēng)機(jī)氣動(dòng)噪聲的計(jì)算與分析

目前工程上計(jì)算氣動(dòng)噪聲學(xué)的方法一般采用Lighthill聲類(lèi)比法。對(duì)Lighthill方程的求解大多數(shù)采用積分解法[5]，如Curle方程和FW-H方程。其中對(duì)于外流場(chǎng)問(wèn)題可采用自由空間格林函數(shù)求解；然而對(duì)于幾何邊界復(fù)雜的內(nèi)流場(chǎng)問(wèn)題，格林函數(shù)難以得到，只有對(duì)部分很規(guī)則的空間，如自由空間、封閉球空間和無(wú)限大平板半空間等，才能得到其解析表達(dá)式，故該方法的應(yīng)用受到很大局限，求解風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)場(chǎng)聲輻射問(wèn)題時(shí)不得不將問(wèn)題簡(jiǎn)化為自由空間問(wèn)題，將其作為緊湊聲源，忽略蝸殼和進(jìn)出口管道等對(duì)聲傳播的影響[6-7]。因此，聲傳播在復(fù)雜固壁內(nèi)的反射與折射等問(wèn)題得不到體現(xiàn)，也不能包含結(jié)構(gòu)的彈性效應(yīng)，計(jì)算結(jié)果存在較大誤差，限制了其適用性。另一種求解方法是將Lighthill方程轉(zhuǎn)化為變分形式，采用有限元法求解，這樣可以將聲源進(jìn)行空間離散以考慮結(jié)構(gòu)和聲的相互作用[8]。這種方法可適用于任何復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)，有利于工程應(yīng)用，本文中主要基于此方法計(jì)算旋渦風(fēng)機(jī)氣動(dòng)噪聲。

Lighthill方程的形式為

(1)

式中：Tij=ρvivj+(p-c02ρ)δij-τij，稱(chēng)為L(zhǎng)ighthill應(yīng)力張量；ρ為流體密度；t為時(shí)間；c0為未受擾動(dòng)流體的聲速；p為流體中的壓力；δij為克羅內(nèi)克符號(hào)；τij為黏性應(yīng)力張量；xi和xj為位移；vi和vj為流體速度。

3.1 Lighthill方程變分解法

Lighthill聲類(lèi)比公式也可通過(guò)變分原理進(jìn)行改寫(xiě)，然后通過(guò)有限元法進(jìn)行求解。Lighthill聲類(lèi)比理論的強(qiáng)變分形式[9]為

(2)

式中：δρ是一個(gè)測(cè)試函數(shù)；Ω是計(jì)算域。運(yùn)用格林定理對(duì)空間導(dǎo)數(shù)積分，獲得弱變分形式：

(3)

Γ=?Ω，若定義總應(yīng)力張量

Σij=ρvivj+(p-p0)δij-τij

(4)

則式(3)變?yōu)?/p>

(5)

這就是Lighthill方程的變分形式。在方程右端有兩個(gè)氣動(dòng)聲源項(xiàng)：一個(gè)是體積源項(xiàng)，另一個(gè)是面源項(xiàng)。體積源導(dǎo)入到包含能量的渦結(jié)構(gòu)區(qū)域中，面源導(dǎo)入到計(jì)算域的控制界面上。在計(jì)算旋轉(zhuǎn)機(jī)械時(shí)，為了更精確地描述源項(xiàng)，選擇靠近轉(zhuǎn)子的面。

3.2 氣動(dòng)聲學(xué)有限元計(jì)算模型

建立的旋渦風(fēng)機(jī)聲學(xué)模型見(jiàn)圖12。進(jìn)口和出口用管道模態(tài)模擬無(wú)限長(zhǎng)管道，即不考慮旋渦風(fēng)機(jī)進(jìn)出口處的射流噪聲。將非定常流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果插值到圖12所示的體聲源網(wǎng)格和面聲源網(wǎng)格，其中面聲源網(wǎng)格用于計(jì)算葉輪旋轉(zhuǎn)區(qū)域的聲源。體聲源網(wǎng)格外部建立旋渦風(fēng)機(jī)殼體的實(shí)體網(wǎng)格，在殼體以外的區(qū)域建立一個(gè)包圍旋渦風(fēng)機(jī)的聲傳播區(qū)域，最外層用無(wú)限元的面網(wǎng)格模擬自由空間的無(wú)反射邊界條件。

3.3 噪聲計(jì)算結(jié)果

3.3.1 聲壓級(jí)對(duì)比

在風(fēng)機(jī)外部1m球面處分別沿x-y，y-z和x-z平面布置一圈場(chǎng)點(diǎn)，可計(jì)算出各點(diǎn)處的聲壓級(jí)頻譜圖，將所有點(diǎn)的聲壓級(jí)頻譜曲線取平均，可得旋渦風(fēng)機(jī)平均聲壓級(jí)頻譜曲線。本文中僅計(jì)算旋渦風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速在3 000r/min下產(chǎn)生的噪聲，結(jié)果如圖13所示。

圖中將變分解法、積分解法計(jì)算得到的平均聲壓級(jí)與試驗(yàn)測(cè)試得到的平均聲壓級(jí)進(jìn)行了對(duì)比?？梢钥闯觯米兎址椒〞r(shí)考慮到了殼體對(duì)聲波的作用，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值較吻合，平均聲壓級(jí)僅相差2.7dB(A)。而用格林函數(shù)的積分解法進(jìn)行計(jì)算時(shí)，平均聲壓級(jí)比試驗(yàn)值高32.9dB(A)，可見(jiàn)對(duì)于內(nèi)流場(chǎng)的問(wèn)題所做的簡(jiǎn)化將導(dǎo)致結(jié)果產(chǎn)生很大的誤差。此外，從頻譜圖上看，數(shù)值計(jì)算結(jié)果均可反映出其最主要的峰值頻率2 750Hz(55倍頻)。在中低頻時(shí)，變分解法得到的噪聲頻譜與試驗(yàn)結(jié)果比較吻合，但在高頻時(shí)頻譜相差很大，這主要受限于數(shù)值算法本身的精度，它的色散和耗散性使其在高頻時(shí)的計(jì)算誤差很大[10]。

3.3.2 聲場(chǎng)分布

圖14為有限元法計(jì)算的2 750Hz下旋渦風(fēng)機(jī)流場(chǎng)內(nèi)、外部空間分布的聲壓級(jí)云圖。可以看出，由于殼體的存在，其聲壓級(jí)從內(nèi)部輻射到外部時(shí)顯著減小。

3.3.3 噪聲指向性

綜合各場(chǎng)點(diǎn)的聲壓級(jí)可得到旋渦風(fēng)機(jī)的噪聲指向性圖，如圖15所示。

定義軸向?yàn)閥方向，垂向?yàn)閦方向，水平方向?yàn)閤方向?？梢钥闯?，在x-y和y-z平面，不同方向聲壓級(jí)最大相差10dB(A)左右，x-z平面，即旋渦風(fēng)機(jī)徑向平面，不同方向聲壓級(jí)最大相差4dB(A)左右。從圖15(a)和圖15(b)可見(jiàn)，沿旋渦風(fēng)機(jī)軸向方向的聲壓級(jí)最低，為61dB(A)左右；從圖15(b)和圖15(c)可見(jiàn)，進(jìn)口側(cè)聲壓級(jí)比出口側(cè)聲壓級(jí)大3dB(A)左右。據(jù)此，在進(jìn)行整車(chē)布置時(shí)，應(yīng)使旋渦風(fēng)機(jī)軸線方向或者出口端方向面向駕駛員位置，以減小駕駛員位置處的噪聲。此外，也可根據(jù)上述規(guī)律對(duì)旋渦風(fēng)機(jī)采取相應(yīng)的降噪措施。

4 結(jié)論

(1) 試驗(yàn)測(cè)試的燃料電池車(chē)用旋渦風(fēng)機(jī)噪聲特性表明，其主要峰值頻率為55倍頻和在500～1 300Hz范圍內(nèi)，其平均聲壓級(jí)與轉(zhuǎn)速成線性關(guān)系。

(2) 利用離散渦模擬方法計(jì)算了旋渦風(fēng)機(jī)內(nèi)部非定常流動(dòng)，從渦量和表面聲功率級(jí)的對(duì)比說(shuō)明，流道內(nèi)前半部分是氣動(dòng)噪聲的主要聲源；而由壓力波動(dòng)分析可知，流場(chǎng)內(nèi)壓力脈動(dòng)頻譜基本上反映遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲的頻譜。

(3) 用有限元法計(jì)算遠(yuǎn)場(chǎng)氣動(dòng)噪聲，克服了積分方法不能求解復(fù)雜邊界格林函數(shù)的缺點(diǎn)，雖然建模較復(fù)雜，計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)，但計(jì)算結(jié)果與實(shí)際更加吻合，非常適用于內(nèi)流場(chǎng)問(wèn)題。這為進(jìn)行噪聲優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了重要的參考。

(4) 根據(jù)旋渦風(fēng)機(jī)噪聲指向性圖，在進(jìn)行整車(chē)布置時(shí)，應(yīng)使旋渦風(fēng)機(jī)軸線方向或出口端方向面向駕駛員位置，以減小駕駛員位置處的噪聲。

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