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        牽引電機(jī)氣動(dòng)噪聲仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證

        2022-03-21 07:07:54李偉業(yè)郝玉濤陳瑞峰吳江權(quán)
        微電機(jī) 2022年1期
        關(guān)鍵詞:聲壓級(jí)聲源聲學(xué)

        李偉業(yè),郝玉濤,陳瑞峰,吳江權(quán),李 奎

        (1.襄陽(yáng)中車(chē)電機(jī)技術(shù)有限公司,湖南 株洲 412000;2.中車(chē)株洲電力機(jī)車(chē)研究所有限公司,湖南 株洲 412001;3.懿朵信息科技(上海)有限公司,上海 201108)

        0 引 言

        電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)部件在軌道交通上得到廣泛應(yīng)用,近年來(lái)隨著國(guó)家對(duì)城市軌道交通的支持加大,牽引電機(jī)的應(yīng)用前景越來(lái)越好,同時(shí)對(duì)噪音要求越來(lái)越高。電機(jī)的噪聲主要有三種:即氣動(dòng)噪聲、機(jī)械噪聲、電磁噪聲等。為滿(mǎn)足高速行車(chē)要求,大部分時(shí)候牽引電機(jī)都處于高速轉(zhuǎn)動(dòng)情況,此時(shí)電機(jī)上散熱風(fēng)扇產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲是主要噪聲源[1-2]。

        為降低氣動(dòng)噪聲的影響,需要在電機(jī)設(shè)計(jì)階段,通過(guò)仿真技術(shù)對(duì)其氣動(dòng)噪聲進(jìn)行預(yù)估與優(yōu)化,達(dá)到控制噪聲的目的。

        Henner等人對(duì)車(chē)用風(fēng)機(jī)在非設(shè)計(jì)狀態(tài)下的噪聲進(jìn)行了仿真分析,復(fù)現(xiàn)了4000 Hz附近出現(xiàn)聲壓駝峰現(xiàn)象,在此基礎(chǔ)上對(duì)流場(chǎng)結(jié)果進(jìn)行分析,通過(guò)優(yōu)化葉片消除了聲壓駝峰[3]。Collison通過(guò)CFD和實(shí)驗(yàn)管道內(nèi)測(cè)量的結(jié)合方法,確認(rèn)了渦流從風(fēng)機(jī)葉輪后緣脫落時(shí)產(chǎn)生的噪音,提出了一種設(shè)計(jì),以減少渦旋結(jié)構(gòu)的相干性,從而消除嘶嘶聲[4]。Tautz對(duì)鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行仿真和測(cè)試的對(duì)比,其中仿真方法采用了Lighthill方程和聲擾動(dòng)方程(APE)兩種方法,這兩種方法的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合都較好,后者可將聲壓和湍流壓分離,提供了更多的聲音激勵(lì)信息[5]。Lucius采用仿真手段對(duì)汽車(chē)散熱器風(fēng)扇在加與不加導(dǎo)流罩情況下,上游干擾對(duì)風(fēng)扇噪聲的影響做了分析,并與測(cè)試對(duì)比,在4000 Hz以?xún)?nèi)均能達(dá)到較好的精度[6]。

        本文對(duì)某電機(jī)在1900 r/min、3000 r/min和4000 r/min三種不同轉(zhuǎn)速下,分別作了流場(chǎng)和氣動(dòng)噪聲仿真分析,對(duì)比不同轉(zhuǎn)速下流場(chǎng)Q準(zhǔn)則分布、壓力分布、速度分布以及聲源分布。將仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果做了對(duì)比,驗(yàn)證了仿真精度。

        1 氣動(dòng)噪聲仿真基礎(chǔ)

        1.1 理論基礎(chǔ)

        氣動(dòng)噪聲的模擬主要有2種方法,即有限元法和統(tǒng)計(jì)能量法,前者適用于低頻噪聲計(jì)算、后者更適用于高頻噪聲計(jì)算。本文計(jì)算頻率主要集中于中低頻段,因此采用有限元法。有限元法基于Lighthill提出的聲類(lèi)比方法[7]:

        (1)

        式中,ρ0為環(huán)境密度,Tij為L(zhǎng)ighthill應(yīng)力張量,表達(dá)式如下:

        (2)

        1.2 仿真流程

        氣動(dòng)噪聲仿真流程如下:

        圖1 氣動(dòng)噪聲仿真流程圖

        (1)流場(chǎng)穩(wěn)態(tài)仿真計(jì)算,獲得初始流場(chǎng)。

        (2)流場(chǎng)非穩(wěn)態(tài)仿真計(jì)算,進(jìn)行時(shí)域密度脈動(dòng)與速度脈動(dòng)采樣,作為時(shí)域聲源。

        (3)聲學(xué)計(jì)算,將時(shí)域聲源通過(guò)聲源提取、快速傅里葉變換得到頻域聲源,然后進(jìn)行聲傳播計(jì)算,得到聲場(chǎng)分布。

        2 流場(chǎng)計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分

        2.1 計(jì)算模型

        氣動(dòng)噪聲計(jì)算對(duì)CFD的要求比較高,需要精確捕捉是非常難的,因此對(duì)其網(wǎng)格尺度、時(shí)間步長(zhǎng)和精度階次都有要求。

        2.2 網(wǎng)格劃分

        根據(jù)電機(jī)特點(diǎn),將電機(jī)分為三個(gè)計(jì)算域,分別為:出口發(fā)展域、固定域和旋轉(zhuǎn)域,如圖2所示。分別在進(jìn)、出口設(shè)置2個(gè)測(cè)點(diǎn),捕捉壓力脈動(dòng)。

        圖2 三維模型

        由于電機(jī)幾何結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,對(duì)各計(jì)算域進(jìn)行多面體網(wǎng)格劃分,如圖3所示。對(duì)葉輪以及動(dòng)靜交界進(jìn)行局部加密處理,動(dòng)靜交界面網(wǎng)格尺度1mm,保證邊界層為Y+≤1。各計(jì)算域交界面進(jìn)行面加密處理,最終總網(wǎng)格數(shù)為590萬(wàn)。

        圖3 計(jì)算域網(wǎng)格

        2.3 計(jì)算模型設(shè)置

        流場(chǎng)計(jì)算分為兩步,首先進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算,然后進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)計(jì)算,非穩(wěn)態(tài)計(jì)算5圈之后,進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣,采樣2圈。對(duì)模型進(jìn)行三維全流場(chǎng)瞬態(tài)場(chǎng)數(shù)值計(jì)算,計(jì)算湍流模型為DES-SST模型,二階精度,以風(fēng)扇每旋轉(zhuǎn)1°作為1個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)。表1為不同轉(zhuǎn)速下的時(shí)間步長(zhǎng)和葉片通過(guò)頻率(BPF)。

        表1 不同轉(zhuǎn)速下的時(shí)間步長(zhǎng)與葉片通過(guò)頻率

        3 流場(chǎng)結(jié)果分析

        Q準(zhǔn)則是進(jìn)行渦識(shí)別的常用準(zhǔn)則,Q準(zhǔn)則不考慮壁面剪切而產(chǎn)生的渦,更能準(zhǔn)確反映氣動(dòng)噪聲,一般Q準(zhǔn)則值越大對(duì)應(yīng)噪聲越強(qiáng)。表2列出了不同轉(zhuǎn)速下Q準(zhǔn)則和速度的最大值,以及壓力波動(dòng)的范圍,從表中可以判斷轉(zhuǎn)速越高,對(duì)應(yīng)氣動(dòng)噪聲越強(qiáng)。

        表2 不同轉(zhuǎn)速下的最大Q準(zhǔn)則值和速度值以及壓力范圍

        圖4~圖6為子午面上Q準(zhǔn)則、速度、壓力等參數(shù)分布圖,可以看出隨著風(fēng)扇轉(zhuǎn)速增加,Q準(zhǔn)則值、流速和壓力的最大值都增加,對(duì)應(yīng)氣動(dòng)噪聲增強(qiáng)。從速度分布上看,風(fēng)扇區(qū)域流線紊亂分離最為嚴(yán)重,其次為中部管道進(jìn)出口,這些區(qū)域是噪聲主要來(lái)源,從Q準(zhǔn)則分布可以得到同樣的結(jié)論。

        圖4 Q準(zhǔn)則云圖

        圖5 速度云圖

        圖6 壓力云圖

        4 聲場(chǎng)計(jì)算與分析

        通過(guò)非穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)計(jì)算,導(dǎo)出不同時(shí)刻的速度和密度數(shù)據(jù),即得到時(shí)域的聲源,再通過(guò)聲學(xué)有限元仿真得到聲學(xué)結(jié)果。圖7為電機(jī)的聲學(xué)計(jì)算模型,總聲學(xué)網(wǎng)格數(shù)為410萬(wàn)。仿真計(jì)算時(shí),按照試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[8]取5個(gè)測(cè)點(diǎn),4個(gè)水平監(jiān)測(cè)點(diǎn)H1、H2、H3、H4,1個(gè)垂直監(jiān)測(cè)點(diǎn)V1,測(cè)點(diǎn)與電機(jī)本體距離1 m,具體位置如圖8所示,其中H1為進(jìn)口,H2為出口,H3、H4為左右測(cè)點(diǎn)。

        圖7 聲學(xué)計(jì)算模型

        圖8 測(cè)點(diǎn)位置

        圖9為各轉(zhuǎn)速下對(duì)應(yīng)第一階葉片通過(guò)頻率處的Lighthill應(yīng)力張量分布(即聲源分布)圖,單位為dB??梢钥闯鲭S著轉(zhuǎn)速的增加,聲源更強(qiáng),與流場(chǎng)分析結(jié)果一致。

        圖9 聲源分布/dB

        圖10 不同轉(zhuǎn)速測(cè)點(diǎn)H1和H2的頻譜曲線

        圖10為不同轉(zhuǎn)速下,測(cè)點(diǎn)H1和H2的頻譜曲線。1900 r/min時(shí),在411 Hz處有明顯的峰值,3000 r/min時(shí),在650 Hz處有明顯的峰值,4000 r/min時(shí),在866 Hz處有明顯的峰值。

        5 試驗(yàn)對(duì)比

        樣機(jī)試驗(yàn)在半消聲室內(nèi)進(jìn)行,根據(jù)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定,試驗(yàn)時(shí)在水平和垂直方向布置共5個(gè)測(cè)點(diǎn),測(cè)點(diǎn)與電機(jī)本體相距1 m,如圖11所示。

        圖11 樣機(jī)試驗(yàn)

        試驗(yàn)測(cè)試了3000 r/min和4000 r/min下電機(jī)各測(cè)點(diǎn)的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)。表3分別列出了不同轉(zhuǎn)速下各測(cè)點(diǎn)的聲壓級(jí)和平均聲壓級(jí),以及對(duì)應(yīng)的仿真結(jié)果。3000 r/min時(shí),平均聲壓級(jí)誤差為1.56 dB,各測(cè)點(diǎn)誤差在3.39 dB以?xún)?nèi);4000 r/min時(shí),平均聲壓級(jí)誤差為2.36 dB,各測(cè)點(diǎn)誤差在4.51 dB以?xún)?nèi)。2個(gè)轉(zhuǎn)速下的平均聲壓級(jí)誤差較小,說(shuō)明聲源的聲功率誤差較小,流場(chǎng)仿真結(jié)果是可信的。

        表3 不同測(cè)點(diǎn)總聲壓級(jí)對(duì)比

        6 結(jié) 論

        通過(guò)對(duì)3種高轉(zhuǎn)速下,牽引電機(jī)的氣動(dòng)噪聲進(jìn)行仿真分析,提取了5個(gè)測(cè)點(diǎn)的聲壓級(jí),并計(jì)算平

        均聲壓級(jí)。結(jié)合測(cè)試對(duì)比了2個(gè)轉(zhuǎn)速3000 r/min和4000 r/min的聲壓級(jí)結(jié)果,主要結(jié)論如下。

        (1)3000 r/min時(shí),5個(gè)測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)測(cè)試與仿真最大差距為H2點(diǎn),相差3.39 dB,其他測(cè)點(diǎn)差距在2 dB以?xún)?nèi),平均聲壓級(jí)相差1.56 dB。從聲源能量來(lái)說(shuō),對(duì)標(biāo)精度較好。

        (2)4000 r/min時(shí),5個(gè)測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)測(cè)試與仿真最大差距為H4點(diǎn),相差4.51 dB,其他測(cè)點(diǎn)差距在2.99 dB以?xún)?nèi),平均聲壓級(jí)相差2.36 dB,從聲源能量來(lái)說(shuō),對(duì)標(biāo)精度較好。

        (3)通過(guò)CFD瞬態(tài)仿真輸出流場(chǎng)數(shù)據(jù),以此作為聲學(xué)仿真的時(shí)域聲源,通過(guò)聲學(xué)計(jì)算得到測(cè)點(diǎn)結(jié)果,通過(guò)多工況與測(cè)試對(duì)比,精度均較好,滿(mǎn)足工程上預(yù)測(cè)牽引電機(jī)氣動(dòng)噪聲的需求。

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