李偉業(yè)，郝玉濤，陳瑞峰，吳江權，李 奎

(1．襄陽中車電機技術有限公司，湖南 株洲 412000；2．中車株洲電力機車研究所有限公司，湖南 株洲 412001；3．懿朵信息科技(上海)有限公司，上海 201108)

0 引 言

電機作為驅動部件在軌道交通上得到廣泛應用，近年來隨著國家對城市軌道交通的支持加大，牽引電機的應用前景越來越好，同時對噪音要求越來越高。電機的噪聲主要有三種：即氣動噪聲、機械噪聲、電磁噪聲等。為滿足高速行車要求，大部分時候牽引電機都處于高速轉動情況，此時電機上散熱風扇產生的氣動噪聲是主要噪聲源[1-2]。

為降低氣動噪聲的影響，需要在電機設計階段，通過仿真技術對其氣動噪聲進行預估與優(yōu)化，達到控制噪聲的目的。

Henner等人對車用風機在非設計狀態(tài)下的噪聲進行了仿真分析，復現(xiàn)了4000 Hz附近出現(xiàn)聲壓駝峰現(xiàn)象，在此基礎上對流場結果進行分析，通過優(yōu)化葉片消除了聲壓駝峰[3]。Collison通過CFD和實驗管道內測量的結合方法，確認了渦流從風機葉輪后緣脫落時產生的噪音，提出了一種設計，以減少渦旋結構的相干性，從而消除嘶嘶聲[4]。Tautz對鼓風機進行仿真和測試的對比，其中仿真方法采用了Lighthill方程和聲擾動方程(APE)兩種方法，這兩種方法的結果與實驗數(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信息[5]。Lucius采用仿真手段對汽車散熱器風扇在加與不加導流罩情況下，上游干擾對風扇噪聲的影響做了分析，并與測試對比，在4000 Hz以內均能達到較好的精度[6]。

本文對某電機在1900 r/min、3000 r/min和4000 r/min三種不同轉速下，分別作了流場和氣動噪聲仿真分析，對比不同轉速下流場Q準則分布、壓力分布、速度分布以及聲源分布。將仿真結果與試驗結果做了對比，驗證了仿真精度。

1 氣動噪聲仿真基礎

1.1 理論基礎

氣動噪聲的模擬主要有2種方法，即有限元法和統(tǒng)計能量法，前者適用于低頻噪聲計算、后者更適用于高頻噪聲計算。本文計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提出的聲類比方法[7]：

(1)

式中,ρ0為環(huán)境密度，Tij為Lighthill應力張量，表達式如下：

(2)

1.2 仿真流程

氣動噪聲仿真流程如下：

圖1 氣動噪聲仿真流程圖

(1)流場穩(wěn)態(tài)仿真計算，獲得初始流場。

(2)流場非穩(wěn)態(tài)仿真計算，進行時域密度脈動與速度脈動采樣，作為時域聲源。

(3)聲學計算，將時域聲源通過聲源提取、快速傅里葉變換得到頻域聲源，然后進行聲傳播計算，得到聲場分布。

2 流場計算模型及網格劃分

2.1 計算模型

氣動噪聲計算對CFD的要求比較高，需要精確捕捉是非常難的，因此對其網格尺度、時間步長和精度階次都有要求。

2.2 網格劃分

根據(jù)電機特點，將電機分為三個計算域，分別為：出口發(fā)展域、固定域和旋轉域，如圖2所示。分別在進、出口設置2個測點，捕捉壓力脈動。

圖2 三維模型

由于電機幾何結構較為復雜，對各計算域進行多面體網格劃分，如圖3所示。對葉輪以及動靜交界進行局部加密處理，動靜交界面網格尺度1mm，保證邊界層為Y+≤1。各計算域交界面進行面加密處理，最終總網格數(shù)為590萬。

圖3 計算域網格

2.3 計算模型設置

流場計算分為兩步，首先進行穩(wěn)態(tài)計算，然后進行非穩(wěn)態(tài)計算，非穩(wěn)態(tài)計算5圈之后，進行數(shù)據(jù)采樣，采樣2圈。對模型進行三維全流場瞬態(tài)場數(shù)值計算，計算湍流模型為DES-SST模型，二階精度，以風扇每旋轉1°作為1個時間步長。表1為不同轉速下的時間步長和葉片通過頻率(BPF)。

表1 不同轉速下的時間步長與葉片通過頻率

3 流場結果分析

Q準則是進行渦識別的常用準則，Q準則不考慮壁面剪切而產生的渦，更能準確反映氣動噪聲，一般Q準則值越大對應噪聲越強。表2列出了不同轉速下Q準則和速度的最大值，以及壓力波動的范圍，從表中可以判斷轉速越高，對應氣動噪聲越強。

表2 不同轉速下的最大Q準則值和速度值以及壓力范圍

圖4～圖6為子午面上Q準則、速度、壓力等參數(shù)分布圖，可以看出隨著風扇轉速增加，Q準則值、流速和壓力的最大值都增加，對應氣動噪聲增強。從速度分布上看，風扇區(qū)域流線紊亂分離最為嚴重，其次為中部管道進出口,這些區(qū)域是噪聲主要來源，從Q準則分布可以得到同樣的結論。

圖4 Q準則云圖

圖5 速度云圖

圖6 壓力云圖

4 聲場計算與分析

通過非穩(wěn)態(tài)流場計算，導出不同時刻的速度和密度數(shù)據(jù)，即得到時域的聲源，再通過聲學有限元仿真得到聲學結果。圖7為電機的聲學計算模型，總聲學網格數(shù)為410萬。仿真計算時，按照試驗標準[8]取5個測點，4個水平監(jiān)測點H1、H2、H3、H4，1個垂直監(jiān)測點V1，測點與電機本體距離1 m，具體位置如圖8所示，其中H1為進口，H2為出口，H3、H4為左右測點。

圖7 聲學計算模型

圖8 測點位置

圖9為各轉速下對應第一階葉片通過頻率處的Lighthill應力張量分布(即聲源分布)圖，單位為dB?？梢钥闯鲭S著轉速的增加，聲源更強，與流場分析結果一致。

圖9 聲源分布/dB

圖10 不同轉速測點H1和H2的頻譜曲線

圖10為不同轉速下，測點H1和H2的頻譜曲線。1900 r/min時，在411 Hz處有明顯的峰值，3000 r/min時，在650 Hz處有明顯的峰值，4000 r/min時，在866 Hz處有明顯的峰值。

5 試驗對比

樣機試驗在半消聲室內進行，根據(jù)試驗標準的規(guī)定，試驗時在水平和垂直方向布置共5個測點，測點與電機本體相距1 m，如圖11所示。

圖11 樣機試驗

試驗測試了3000 r/min和4000 r/min下電機各測點的A計權聲壓級。表3分別列出了不同轉速下各測點的聲壓級和平均聲壓級，以及對應的仿真結果。3000 r/min時，平均聲壓級誤差為1.56 dB，各測點誤差在3.39 dB以內；4000 r/min時，平均聲壓級誤差為2.36 dB，各測點誤差在4.51 dB以內。2個轉速下的平均聲壓級誤差較小，說明聲源的聲功率誤差較小，流場仿真結果是可信的。

表3 不同測點總聲壓級對比

6 結 論

通過對3種高轉速下，牽引電機的氣動噪聲進行仿真分析，提取了5個測點的聲壓級，并計算平

均聲壓級。結合測試對比了2個轉速3000 r/min和4000 r/min的聲壓級結果，主要結論如下。

(1)3000 r/min時，5個測點聲壓級測試與仿真最大差距為H2點，相差3.39 dB，其他測點差距在2 dB以內，平均聲壓級相差1.56 dB。從聲源能量來說，對標精度較好。

(2)4000 r/min時，5個測點聲壓級測試與仿真最大差距為H4點，相差4.51 dB，其他測點差距在2.99 dB以內，平均聲壓級相差2.36 dB，從聲源能量來說，對標精度較好。

(3)通過CFD瞬態(tài)仿真輸出流場數(shù)據(jù)，以此作為聲學仿真的時域聲源，通過聲學計算得到測點結果，通過多工況與測試對比，精度均較好，滿足工程上預測牽引電機氣動噪聲的需求。