王領(lǐng)，王佛云，付山，李彬，李燕華

（空調(diào)設(shè)備及系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，珠海 519070）

引言

隨著汽車行業(yè)的飛速發(fā)展，消費(fèi)者購(gòu)車需求愈發(fā)旺盛。汽車作為日常使用頻率較高的代步工具，順其而然成為了消費(fèi)者除家庭、辦公室以外的“第三密閉空間”，因此車內(nèi)空氣質(zhì)量越來(lái)越受到消費(fèi)者們的重視。車載空氣凈化器因其具有高效的凈化污染物，改善車內(nèi)空氣質(zhì)量的功能，而迅速成為人們熱衷的第一選擇[1]。目前，市場(chǎng)銷售的車載空氣凈化器種類繁多，品質(zhì)參差不齊，由于消費(fèi)者們過(guò)度關(guān)注其空氣凈化能力，而缺少對(duì)其噪聲等舒適性因素的研究[2]，因此在車載空氣凈化器的噪音領(lǐng)域還有很大的研發(fā)空間。

本文為探究并解決車載空氣凈化器的噪聲問(wèn)題，將CFD仿真技術(shù)應(yīng)用于產(chǎn)品開(kāi)發(fā)初期，利用數(shù)字化結(jié)果作為設(shè)計(jì)導(dǎo)向，對(duì)其結(jié)構(gòu)和循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，大大縮短了設(shè)計(jì)研發(fā)周期，也降低了開(kāi)發(fā)成本；同時(shí)為車載空氣凈化器的噪聲優(yōu)化提供了有力的理論支持[3]。

1 基本理論

1.1 車載空氣凈化器的基本結(jié)構(gòu)及工作原理

目前，市場(chǎng)上銷售的車載空氣凈化器樣式繁多，但大部分的結(jié)構(gòu)大同小異。主要組成部件有：殼體、風(fēng)機(jī)、空氣過(guò)濾網(wǎng)等；如圖1所示，本文設(shè)計(jì)了一款采用離心式風(fēng)機(jī)的濾網(wǎng)式車載空氣凈化器，采用頂部進(jìn)風(fēng)，四周出風(fēng)的方式，大大提高了空氣過(guò)濾網(wǎng)的利用效率，使得該款產(chǎn)品的空氣凈化能力也大幅提高；該產(chǎn)品的主體結(jié)構(gòu)主要由懸浮板、上頂蓋，濾網(wǎng)，風(fēng)機(jī)，底殼和控制器組成。

圖1 車載空氣凈化器結(jié)構(gòu)圖

車載空氣凈化器的工作原理是電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械能通過(guò)葉輪轉(zhuǎn)換為使空氣流動(dòng)的動(dòng)能，車內(nèi)流動(dòng)的空氣通過(guò)空氣過(guò)濾網(wǎng)，進(jìn)而使空氣中摻雜的各種污染物被清除或吸附，最終達(dá)到凈化空氣的目的。

1.2 離心風(fēng)機(jī)氣動(dòng)噪聲產(chǎn)生機(jī)理

車載空氣凈化器運(yùn)行過(guò)程中主要的運(yùn)轉(zhuǎn)部件是風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，對(duì)于離心式風(fēng)機(jī)而言，其運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的噪聲主要包括空氣動(dòng)力噪聲、機(jī)械噪聲及氣體和固體彈性系統(tǒng)相互作用產(chǎn)生的氣固耦合噪聲[4]。

由于車載空氣凈化器自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，運(yùn)行過(guò)程中很少涉及機(jī)械噪聲，主要是空氣動(dòng)力噪聲；旋渦噪聲是空氣動(dòng)力噪聲的一種，又被稱為紊流噪聲或渦流噪聲，它是葉輪在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，葉輪葉片與氣體相互作用、耦合所輻射的寬頻帶噪聲；具體是由于靠近葉片出口處的邊界層脫體、氣流在蝸殼中擴(kuò)壓流動(dòng)時(shí)的脫體、葉片進(jìn)口處流動(dòng)分離和偏離最佳工況時(shí)流動(dòng)的惡化等造成的[5]。

根據(jù)以上機(jī)理，以及結(jié)合車載空氣凈化器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本文分析出車載空氣凈化器的噪聲可能與風(fēng)葉旋轉(zhuǎn)的流場(chǎng)相關(guān)。

2.3 CFD仿真基本理論

CFD仿真常用的數(shù)值方法有有限差分法、有限體積法、有限元法及有限分析法，其中，有限體積法能在特定體積內(nèi)很好的導(dǎo)出具有守恒特性的連續(xù)性方程，其離散方程系數(shù)的物理意義明確，是目前CFD數(shù)值計(jì)算中應(yīng)用最為廣泛的一種。CFD仿真的操作流程細(xì)節(jié)因不同的軟件而存在差異，但主要流程相同；如圖2所示，是基于ANSYS Workbench 平臺(tái)下的Fluent進(jìn)行CFD仿真的基本流程[6,7]。

圖2 CFD仿真流程圖

2 CFD仿真及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 幾何模型簡(jiǎn)化

車載空氣凈化器仿真計(jì)算模型建立包括實(shí)體幾何模型的建立、仿真計(jì)算域的建立及網(wǎng)格模型的建立三部分內(nèi)容，其中每一環(huán)節(jié)都能影響到后續(xù)的仿真結(jié)果。本文所用到的車載空氣凈化器整體模型的長(zhǎng)寬高分別為180 mm、158 mm、60 mm。

產(chǎn)品運(yùn)行時(shí)主要的運(yùn)動(dòng)部件是電機(jī)和離心風(fēng)葉，而其產(chǎn)生的異常噪音主要是電機(jī)聲、風(fēng)機(jī)本身的旋轉(zhuǎn)噪聲以及風(fēng)葉和外殼等構(gòu)成的風(fēng)道中產(chǎn)生的低頻噪聲。因此，在對(duì)其進(jìn)行流體仿真時(shí)，需要將模型中可能因流體流動(dòng)產(chǎn)生噪聲的構(gòu)件保留，去除濾網(wǎng)、控制器等次要構(gòu)件；同時(shí)，為了減少網(wǎng)格的數(shù)量，提升網(wǎng)格質(zhì)量，需要簡(jiǎn)化風(fēng)機(jī)和底座的外觀細(xì)節(jié)特征。為了保證仿真精度，凸顯車載空氣凈化器仿真前后的結(jié)果對(duì)比，在簡(jiǎn)化模型的過(guò)程中，保留了風(fēng)葉和底座的主要特征，如圖3所示。

圖3 模型處理圖

2.2 模型網(wǎng)格劃分及計(jì)算域的建立

車載空氣凈化器內(nèi)部計(jì)算域的網(wǎng)格如圖4所示，網(wǎng)格采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格，對(duì)風(fēng)輪小面處進(jìn)行了不同尺寸網(wǎng)格的劃分，以提高數(shù)據(jù)傳遞的效率。網(wǎng)格總數(shù)為306.6萬(wàn)，質(zhì)量在0.22以上，質(zhì)量良好，可滿足計(jì)算要求。為計(jì)算整機(jī)流體的傳質(zhì)過(guò)程，需對(duì)整機(jī)及運(yùn)行時(shí)的進(jìn)風(fēng)和出風(fēng)流域進(jìn)行設(shè)置，空氣與整機(jī)流道的傳質(zhì)過(guò)程可采用流固耦合模型進(jìn)行計(jì)算，如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格劃分與整機(jī)計(jì)算域設(shè)置

2.3 流體控制方程

本研究中，空氣被假設(shè)成不可壓縮黏性流體，無(wú)熱量傳遞，僅需考慮質(zhì)量與動(dòng)量守恒，即僅需求解連續(xù)方程與 Navier-Stokes 方程：

式中：

ρ—空氣的密度，kg/m3；

i、j—運(yùn)動(dòng)維度；

u—速度，m/s；

p—壓強(qiáng)，Pa；

μ—空氣的黏度，Pa·s；

S—?jiǎng)恿吭错?xiàng)，N/m3。

此外，選用工程中常用的 RNG k-ε湍流模型對(duì)控制方程進(jìn)行封閉求解。

2.4 相關(guān)邊界條件設(shè)置

車載空氣凈化器循化系統(tǒng)為：內(nèi)部風(fēng)輪高速旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生壓強(qiáng)差，快速吸入懸浮蓋的外部空氣，在風(fēng)輪的帶動(dòng)下，空氣進(jìn)一步被帶動(dòng)甩出，最后由整機(jī)底部格柵中流出。在Fluent中定義邊界條件，假設(shè)風(fēng)道內(nèi)部氣體為穩(wěn)態(tài)不可壓縮流體，設(shè)定氣固界面無(wú)滑動(dòng)邊界，由于循環(huán)風(fēng)流出的流動(dòng)速率未知，因此采用壓力入口為邊界條件，風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)速度為4 000 rpm。

2.5 仿真結(jié)果分析及噪聲整改方案

圖5～7分別為整機(jī)運(yùn)行時(shí)的流場(chǎng)圖，主要從流線、湍動(dòng)能以及壓力三個(gè)維度進(jìn)行展示仿真結(jié)果，圖中左側(cè)均為優(yōu)化前仿真結(jié)果，右側(cè)為優(yōu)化方案后仿真結(jié)果。從圖5中的流線圖可以看出，在控制器盒邊角處的流線明顯密集，表明此處的流場(chǎng)分布不均勻，容易造成壓力梯度變化大。圖6的湍動(dòng)能分析結(jié)果可以得出，風(fēng)輪區(qū)域有明顯的湍動(dòng)能驟變區(qū)域，容易造成流場(chǎng)脈動(dòng)。從圖7中的壓力云圖可以分析出，左側(cè)電器盒邊緣處有明顯的壓力脈動(dòng)，且壓力分布不均勻。

圖6 整機(jī)優(yōu)化前后湍動(dòng)能圖

圖7 整機(jī)優(yōu)化前后壓力云圖

根據(jù)以上三個(gè)維度的分析結(jié)果，可以得出，當(dāng)電器盒邊角為尖角時(shí)（即圖5～7中左側(cè)），仿真的結(jié)果均表明風(fēng)輪的流場(chǎng)有明顯的分布不均勻，有些區(qū)域湍動(dòng)能，壓力偏高，此結(jié)果也進(jìn)一步表明風(fēng)輪流場(chǎng)分布不順暢，很容易造成流場(chǎng)紊亂?；跉鈩?dòng)噪聲產(chǎn)生的機(jī)理，流場(chǎng)壓力脈動(dòng)突然變化較大，很容易造成風(fēng)葉尾翼的邊界層脫落，進(jìn)而進(jìn)一步擾亂流場(chǎng)，最終產(chǎn)生氣動(dòng)噪聲。

為解決上述噪聲問(wèn)題，本文深入研究，結(jié)合仿真計(jì)算結(jié)果，提出如下方案。由于車載空氣凈化器的尺寸限制，風(fēng)輪和電器盒的位置無(wú)法改變，因此只能改變風(fēng)輪和電器盒的相對(duì)形態(tài)。根據(jù)上述仿真和分析結(jié)果，針對(duì)電器盒尖角位置進(jìn)行改模處理，由原來(lái)的尖角改成目前的圓角，根據(jù)流線和流場(chǎng)，不斷優(yōu)化圓角角度。整改完成后，針對(duì)圓角方案進(jìn)行整機(jī)仿真，結(jié)果如圖5～7右側(cè)所示，與優(yōu)化前進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)圓角方案的流線、湍動(dòng)能以及壓力分布均有所減緩，明顯優(yōu)于尖角方案。

圖5 整機(jī)優(yōu)化前后仿真流線圖

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證

通過(guò)仿真分析后，提出了一種最終的優(yōu)化方案，即對(duì)電器盒的尖角位置進(jìn)行優(yōu)化處理；本研究針對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行了手板打樣驗(yàn)證，并分別對(duì)兩種方案的整機(jī)進(jìn)行噪音測(cè)試，對(duì)比前后噪音總值，峰值，聲功率級(jí)，具體結(jié)果如表1所示。通過(guò)表中數(shù)據(jù)，可以分析得出，原方案整機(jī)聲功率級(jí)為53.6 dB，較優(yōu)化后的方案大1.5 dB；原方案總值和峰值相差8.7 dB，優(yōu)化后的方案總值和峰值相差15.8 dB。總值和峰值相差越多，表明峰值在總值中所占的比例越小，進(jìn)一步表明整機(jī)噪音峰值不突出，整體音質(zhì)體驗(yàn)較好。優(yōu)化后的方案整體噪音水平優(yōu)于競(jìng)品。

表1 車載空氣凈化器實(shí)驗(yàn)方案驗(yàn)證表 單位：dB（A）

4 總結(jié)

針對(duì)車載空氣凈化器的全新流道系統(tǒng)和特殊結(jié)構(gòu)，并通過(guò)氣動(dòng)噪聲理論，解釋了其工作原理和氣動(dòng)噪聲產(chǎn)生的機(jī)理。本研究將CFD仿真技術(shù)應(yīng)用于車載空氣凈化器的設(shè)計(jì)階段，利用 CFD 技術(shù)可實(shí)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果可視化，通過(guò)對(duì)車載空氣凈化器的壓力云圖，湍動(dòng)能云圖以及流線云圖的分析，順利鎖定主要原因，即電器盒的尖角形狀嚴(yán)重干擾風(fēng)機(jī)流場(chǎng)，并同時(shí)提出電器盒圓角設(shè)計(jì)的解決方案。通過(guò)最終的試驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)電器盒圓角方案的聲功率級(jí)更小，總值和峰值之差更大，證明圓角方案音質(zhì)得到了改善，解決了車載空氣凈化器的氣動(dòng)噪聲問(wèn)題。