王惠茹，呂國坤，鄭泉

（安徽農業(yè)大學 工學院，安徽 合肥 230036）

基于Fluent與Virtual Lab發(fā)動機風扇氣動噪聲的聯合仿真

王惠茹，呂國坤，鄭泉

（安徽農業(yè)大學 工學院，安徽 合肥 230036）

以某款發(fā)動機風扇為研究對象，采用數值模擬方法，應用Fluent和LMS Virtual Lab分別模擬發(fā)動機風扇流場和聲場分布。將計算結果與半消音室內的風扇測試噪聲進行對比，驗證了聯合仿真計算風扇噪聲方法的準確性。在工程實際中可用于對風扇性能的初步檢測，可以為下一步風扇的優(yōu)化提供技術依據。

風扇；氣動噪聲；CFD仿真

風扇作為一類重要的葉輪機械，廣泛應用于各個行業(yè)，近年來人們也越來越關注風扇噪聲的產生、傳播及治理。冷卻風扇是冷卻系統中非常重要的零部件，冷卻風扇的效率和性能是整個冷卻系統的性能評價的重要指標之一。

就目前國內外研究現狀來看，在風扇噪聲領域產生了很多研究成果，形成了相當完善的理論體系。過去氣動噪聲的研究主要源于經驗模型、公式的積累，無論是風扇的設計還是性能評價，都是建立在實驗的基礎之上。Khelladi，S等人建立了一個空氣聲學基礎模型，并運用霍金方程預測偶極子和單極子在噪聲頻域里的聲調［1］。Gerard，A等人通過實驗研究在風扇前使用單個揚聲器對于降低噪聲的可行性［2］。Sorguven等對風機風扇進行降噪優(yōu)化，建立雷諾平均n-s方程模型，運用神經網絡方法評估預測噪聲級和風扇性能［3］。王斌、吳錦武、陳志軍以某 4缸發(fā)動機為例，采用聲壓測試的方法，證明了風扇的噪聲主要是高頻噪聲，解釋了噪聲的產生機理并提出相應的降噪措施［4］。

然而，試驗研究這種方法設計周期長、成本高，產品質量也不理想。隨著仿真計算方法以及計算技術的發(fā)展，數值仿真已經成為氣動噪聲仿真、預測、降噪的新手段。Liu，Q.運用大渦流理論數值模擬離心風機風扇的噪聲分布［5］。伍文華、杜平安等采用流體力學計算軟件F1uent和LES大渦模型對軸流風扇氣動噪聲進行了數值模擬，分析了軸流風扇氣動噪聲產生機理，驗證了仿真方法的正確性，結果表明：LES湍流模型能夠準確預測氣動噪聲，滿足工程應用要求［6］。

在整理了前面所有理論的基礎上，運用聯合仿真的方法數值模擬風扇的流場與聲場的分布，即以某款發(fā)動機風扇為研究對象，運用F1uent計算其穩(wěn)態(tài)壓力場，將其作為邊界條件導入到 LMS Virtual Lab中，利用acoustic模塊計算其氣動噪聲。最后將數值仿真結果與試驗結果進行對比以驗證仿真方法的準確性。

1 Fluent的流場仿真

1.1 模型的建立

由于風扇的有限元模型直接決定計算結果精度，故而要對風扇有限元模型進行幾何清理，將一些對風扇流場和聲場影響的小區(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

按照風扇試驗標準生成流體區(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個部分。入口區(qū)流場長度為風扇直徑的10倍［7］，出口區(qū)應為7倍以上?？紤]到誤差影響，風扇的流體旋轉區(qū)的直徑要盡可能接近風扇葉片外徑。取風扇的直徑為300mm，故將入口流場與出口流場的長度均設為3000mm。

圖2 邊界區(qū)域的劃定

在數值計算中，計算網格的質量直接決定著計算結果的準確度?？紤]到風扇仿真模型的復雜性，采用分區(qū)劃分網格的方法：出、入口的網格尺寸最大，流通區(qū)的網格稍微小點，旋轉區(qū)的網格最細致。使用四面體網格對模型進行離散，得到2273705個單元、462163個節(jié)點，風扇流場網格如圖3所示，旋轉區(qū)網格如圖4所示。

圖3 風扇流場網格

圖4 旋轉區(qū)網格

在風扇計算域中，主要邊界條件有進口邊界條件、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”的區(qū)域，用于定義風扇轉速。

1.2 邊界條件的設定

在進行仿真分析前，要在F1uent中對各邊界條件進行設定。在進口給定流動總壓為大氣壓力，流動方向為沿軸向進氣。通流區(qū)的流動屬于湍流運動，理論上流場分析認為風扇內部流體為不可壓縮氣體；流動中無熱量交換，采用非定常計算；計算中忽略重力對流場的影響。

1.3 控制方程的選定

風扇的非定常流場十分復雜，如何選擇合適的湍流模型成為風機噪聲預測的關鍵。將網格模型導入F1uent中，選擇LES算法，即大渦流算法。這種方法的優(yōu)點在于，對空間分辨率的要求要遠小于直接數值模擬方法，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散模型采用分子粘貼形式，即

將亞格子應力的渦粘模型帶入到大渦數值模擬控制方程中得：

至此，大渦模擬的控制方程確立。

定義時間步長為1×10-6，0.05s的仿真結果，計算結果云圖如圖5所示。

圖5 風扇葉片壓力分布圖

2 氣動噪聲的仿真計算

2.1 選擇分析類型

設定分析模型的類型為非直接，采用邊界元（BEM）方法求解。將Fluent計算得出的結果，即穩(wěn)定的壓力場，作為聲學仿真的邊界條件。

2.2 生成聲學網格

導入流體網格并定義網格屬性為聲學網格，將Fluent計算出的流體靜壓力結果導入模型（圖6）。

圖6 風扇聲學網格圖

2.3 生成邊界元網格及場點網格

如圖7所示，場點網格為距離風扇1000 mm處的一個平面，以觀察在此處風扇的噪聲分布。而邊界元網格是以風扇直徑為直徑，以風扇前后各1000mm為長度的圓柱體。定義流體屬性及風扇源屬性后提交運算，得到的結果如圖8所示。

圖7 風扇場點網格圖

圖8 風扇出口處1m處噪聲分布圖

3 風扇性能試驗與仿真結果驗證

3.1 風扇的性能試驗

實驗方案主要內容包括 1）選擇試驗場地：主要是在一個半消音環(huán)境下進行；2）選定一個測量的工況：與仿真分析的工況一致；3）測點的布置：將傳感器至于風扇的出口處1m的位置，試驗相關圖片如圖9所示；4）進行噪聲測試。

圖9 噪聲試驗裝置圖

3.2 結果對比

試驗所測以及仿真所得是在轉速為2400r·min-1和1400r·min-1轉速下，距離風扇出風口處1m的噪聲值，結果對比如表1所示。

表1 結果對比

由表1對比結果可知：在轉速為1400r·min-1下，距離風扇1m處的仿真噪聲為61.9dB，在同樣狀態(tài)下的實驗結果為63.6dB，誤差為2.7%；在轉速為2400r·min-1下，距離風扇1m處的仿真噪聲為72.2dB，在同樣狀態(tài)下的實驗結果為74.1dB，誤差為3.1%。

4 結論

通過對一款風扇氣動噪聲的仿真計算，并將結果與試驗進行對比，得出以下結論：

1）得到風扇在1400 r·min-1轉速下距離風扇出風口1m的噪聲值為61.9dB；風扇仿真噪聲在2400r·min-1轉速下距離風扇出風口1m的噪聲值為72.2dB。

2）噪聲的實驗值與仿真值的誤差都在允許的范圍內（5%），說明仿真模型的可靠，仿真分析結果是可信的。

仿真分析結果與實驗值有差別，其原因是仿真計算時對模型進行了一些簡化；網格的精度不夠高；實驗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.風扇系統噪聲對發(fā)動機整機噪聲的影響［J］.內燃機工程，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.大渦模擬在軸流風扇氣動噪聲仿真中的應用［J］.機械設計與制造，2013（1）：63-65.

［7］吳玉林，陳慶光，劉樹光.通風機和壓縮機［M］.北京：清華大學出版社，2005.

［8］張兆順，崔桂香，許春曉.大渦數值模擬的理論與應用［M］.北京：清華大學出版社，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

安徽省自然科學高校重點項目（KJ2013A125）

王惠茹（1991-），女，安徽馬鞍人，碩士生，主要從事大馬力拖拉機變速箱噪聲方面的研究。

10.3969/j.issn.1008-5483.2014.01.008