李小梅，覃海明，黎 謙，常光寶，嚴(yán) 香

某款小型新能源汽車(chē)?yán)鋮s風(fēng)扇仿生葉片降噪仿真分析

李小梅1，覃海明*2，黎 謙1，常光寶1，嚴(yán) 香1

（1.上汽通用五菱汽車(chē)股份有限公司，廣西 柳州 545000；2.湖南湖大艾盛汽車(chē)技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司，廣西 柳州 545000）

文章基于仿生設(shè)計(jì)的原理，對(duì)某型新能源汽車(chē)風(fēng)扇結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化，在提升風(fēng)扇散熱效率的同時(shí)大大降低了工作噪聲。在前期工作中，采用大渦模擬獲得原始風(fēng)扇表面的速度和壓力脈動(dòng)等信息，通過(guò)對(duì)比臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了仿真結(jié)果的可靠性。參考鳥(niǎo)類(lèi)翅膀飛行靜音的特性，對(duì)該風(fēng)扇扇葉進(jìn)行仿生學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)。對(duì)比原始風(fēng)扇結(jié)構(gòu)，所得到的仿生設(shè)計(jì)方案在目標(biāo)轉(zhuǎn)速下實(shí)現(xiàn)了進(jìn)風(fēng)量增加14.36%，總聲壓級(jí)降低4.09 dB(A)的綜合性能提升。此外，該風(fēng)扇的一階聲壓級(jí)對(duì)比原始設(shè)計(jì)由59.23 dB(A)降低到了55.02 dB(A)，實(shí)現(xiàn)了4.21 dB(A) 的噪聲性能提升。在新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展的當(dāng)下，文章對(duì)于機(jī)艙空間受限的小型新能源汽車(chē)風(fēng)扇設(shè)計(jì)提供了一套可行的解決方案。文章所采用的風(fēng)扇噪聲的數(shù)值模擬、試驗(yàn)驗(yàn)證、優(yōu)化設(shè)計(jì)的技術(shù)路線，對(duì)新能源汽車(chē)開(kāi)發(fā)中日益凸顯的風(fēng)扇負(fù)荷增大及其噪聲問(wèn)題，具有很強(qiáng)借鑒意義。

新能源汽車(chē)；計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）；仿生風(fēng)扇；氣動(dòng)噪聲；優(yōu)化設(shè)計(jì)

現(xiàn)代汽車(chē)工業(yè)飛速發(fā)展，在滿足傳統(tǒng)駕駛性、安全性等需求之外，其舒適性成為汽車(chē)工業(yè)差異化競(jìng)爭(zhēng)的重要領(lǐng)域。這對(duì)汽車(chē)的振動(dòng)噪聲控制提出了更加嚴(yán)格的要求。尤其是近年來(lái)，隨著新能源車(chē)逐漸進(jìn)入主流消費(fèi)市場(chǎng)，在沒(méi)有發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲之后，實(shí)測(cè)結(jié)果表明，風(fēng)扇噪聲已經(jīng)成為汽車(chē)主要噪聲源之一[1]。風(fēng)扇噪聲為了達(dá)標(biāo)汽車(chē)散熱性能的基本需求，通常會(huì)要求冷卻風(fēng)扇增加載荷，增加轉(zhuǎn)速，但隨之而來(lái)的是其風(fēng)噪聲也會(huì)隨之增大，并成為了汽車(chē)氣動(dòng)噪聲的主要來(lái)源之一。因此，既要滿足其散熱性能，又要降低其氣動(dòng)噪聲的要求已經(jīng)成為一個(gè)熱門(mén)的研究課題。

在國(guó)外，BROWN[2]設(shè)計(jì)采用了斜葉片來(lái)研究重型汽車(chē)風(fēng)扇氣動(dòng)性能。測(cè)試結(jié)果表明，雖然斜葉片的扇葉設(shè)計(jì)能夠顯著降低風(fēng)扇噪聲，但是卻需要增大至少10%以上的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速來(lái)彌補(bǔ)風(fēng)量的不足。MORRIS和GOOD[3]在風(fēng)扇外設(shè)計(jì)了一種新型空氣動(dòng)力學(xué)套件，研究結(jié)果得出，當(dāng)風(fēng)扇流量較大時(shí)，風(fēng)扇的性能及效率得到改善，但是風(fēng)量較小時(shí)，改善的效果則不明顯。OH和KANG[4]利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluid Dyna- mics, CFD）方法仿真了四葉片風(fēng)扇的流場(chǎng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果吻合度良好，驗(yàn)證了仿真結(jié)果的可靠性。在國(guó)內(nèi)，汪學(xué)軍[5]研究了前緣彎掠式軸流風(fēng)扇的流場(chǎng)，結(jié)果表明葉尖渦流主要出現(xiàn)在葉片迎風(fēng)面遠(yuǎn)端，并且葉尖渦流尾跡的影響力和風(fēng)扇轉(zhuǎn)速成正相關(guān)。吉林大學(xué)的耿麗珍[6]研究了葉片不等距布置形式的影響，并對(duì)葉片的降噪優(yōu)化給出指導(dǎo)意見(jiàn)。吉林大學(xué)的梁桂強(qiáng)[7]研究了鳥(niǎo)類(lèi)翅膀靜音飛行的原理，結(jié)果顯示帶仿生鋸齒造型的葉片能夠有效地降低噪音，并設(shè)計(jì)多組實(shí)驗(yàn)，佐證了仿生葉片降噪的可行性。

結(jié)合以上國(guó)內(nèi)外研究的不足以及仿真方法的可靠性，本文專(zhuān)門(mén)針對(duì)新能源汽車(chē)?yán)鋮s風(fēng)扇降噪進(jìn)行研究，特別是對(duì)于某款兩座的小型新能源汽車(chē)，由于其機(jī)艙空間的局限性，從原來(lái)的雙風(fēng)扇變?yōu)閱物L(fēng)扇后，散熱負(fù)荷增大，通過(guò)增加轉(zhuǎn)速來(lái)提高風(fēng)量后，噪聲問(wèn)題更加凸顯，其風(fēng)扇降噪研究有著更為迫切的現(xiàn)實(shí)意義。本文先采用大渦模型（Large Eddy Simulation, LES）對(duì)原始風(fēng)扇數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，獲取其表面聲場(chǎng)數(shù)據(jù)并與臺(tái)架實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)標(biāo)，驗(yàn)證該仿真方法的可靠性后，再通過(guò)對(duì)比原始風(fēng)扇和仿生風(fēng)扇的仿真聲場(chǎng)數(shù)據(jù)，可以得出，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的仿生風(fēng)扇在不需要提高轉(zhuǎn)速的情況下，既保證了風(fēng)量提高，又能有效降低風(fēng)扇噪聲。

1 冷卻風(fēng)扇氣動(dòng)性能仿真結(jié)果及實(shí)驗(yàn)對(duì)標(biāo)驗(yàn)證

1.1 氣動(dòng)噪聲仿真原理

1.1.1仿真分析流程

由于聲波振幅小且波數(shù)比流量波動(dòng)大很多。所以需要一種更精確的方法來(lái)解決聲波問(wèn)題。通常有直接噪聲基算法[8]，其特點(diǎn)是有更高階和更高分率，但是不適用于復(fù)雜的幾何模型[9]，且需要占用大量的計(jì)算資源。所以本文運(yùn)用了混合方法來(lái)預(yù)測(cè)自由場(chǎng)中的輻射噪聲。先根據(jù)CFD分析精確模擬扇葉周邊的瞬態(tài)流場(chǎng)，獲得其表面壓力數(shù)據(jù)，再使用聲學(xué)類(lèi)比法預(yù)測(cè)扇葉的輻射噪聲，然后再通過(guò)快速傅里葉變換獲得噪聲頻譜。

1.1.2仿真流場(chǎng)的數(shù)值方法

相比于流動(dòng)壓力，聲壓的量級(jí)是非常小的（約為10-6），聲壓的能量在總能量中只占很小的一部分，使得噪聲的數(shù)值模擬相當(dāng)困難。并且目前在實(shí)際工程中還沒(méi)法對(duì)方程求解，所以通常采取大渦模型來(lái)進(jìn)行計(jì)算。湍流內(nèi)部有著大小不同的渦團(tuán)，大尺寸渦流的形態(tài)各不相同，小尺寸渦流則具有各向同性。因此，大渦模型只需要對(duì)大尺寸渦流運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)方程進(jìn)行計(jì)算，對(duì)于小尺寸的渦流則采用相應(yīng)的應(yīng)力模型模擬它的影響。

1.1.3氣動(dòng)噪聲的預(yù)測(cè)方法

得到風(fēng)扇的流場(chǎng)信息后，需要用聲學(xué)類(lèi)比法對(duì)其噪聲進(jìn)行預(yù)測(cè)。由于Curle方程只能對(duì)流體中靜止的固體表面進(jìn)行求解，并未涉及運(yùn)動(dòng)固體表面與流體相互作用的發(fā)生問(wèn)題，不適合風(fēng)噪問(wèn)題的仿真。而FW-H方程是以Curle方程為基礎(chǔ)，將其擴(kuò)展到運(yùn)動(dòng)固體邊界的發(fā)聲情況為

等式右側(cè)的第一，第二和第三項(xiàng)分別代表單極，偶極和四極。NEISE[10]表明，在低馬赫數(shù)下，由非定常力波動(dòng)引起的偶極子是風(fēng)扇噪聲的主要來(lái)源。因此，在本研究中，我們僅使用偶極子項(xiàng)來(lái)預(yù)測(cè)風(fēng)扇噪聲。

偶極子源項(xiàng)可以使用Lowson公式計(jì)算，該公式適用于移動(dòng)偶極子源的分布式載荷。該公式可以寫(xiě)成以下形式：

通過(guò)將來(lái)自噪聲源的聲音疊加在結(jié)構(gòu)表面上來(lái)計(jì)算觀察者身上的輻射聲壓。本研究未考慮任何結(jié)構(gòu)的反射、折射、衍射和散射對(duì)聲場(chǎng)的影響。因此，僅計(jì)算自由場(chǎng)中噪聲源的輻射噪聲。

1.2 氣動(dòng)噪聲仿真設(shè)置

1.2.1計(jì)算域的處理及其仿真網(wǎng)格模型選取

冷卻風(fēng)扇由葉圈、輪轂及扇葉等部件組成，葉圈和葉片連在一起進(jìn)行同步運(yùn)動(dòng)。風(fēng)扇的外圍是框架，框架之上有與葉圈相互對(duì)應(yīng)的部件為風(fēng)扇護(hù)風(fēng)圈。建立幾何模型，建立封閉的矩形空間作為計(jì)算域如圖1所示。

圖1 冷卻風(fēng)扇氣動(dòng)噪聲計(jì)算域

采用多面體網(wǎng)格對(duì)風(fēng)扇進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并將其導(dǎo)入Start-CCM+中，其中為風(fēng)扇選取的網(wǎng)格模型為多面體網(wǎng)格。邊界層厚度為3 mm，層數(shù)為5層，驗(yàn)證其20＜+＜50，滿足高雷諾模型的要求。風(fēng)扇其他結(jié)構(gòu)網(wǎng)格尺寸確定為3 mm，風(fēng)洞的網(wǎng)格尺寸確定為30 mm。面網(wǎng)格數(shù)量為635 870個(gè)，體網(wǎng)格采用Trimmer網(wǎng)格生成，體網(wǎng)格分布規(guī)律如圖2所示，體網(wǎng)格數(shù)量為1 000萬(wàn)。

圖2 冷卻風(fēng)扇體網(wǎng)格Y截面示意圖

1.2.2冷卻風(fēng)扇氣動(dòng)噪聲計(jì)算物理模型

軸流風(fēng)扇氣動(dòng)噪聲可以分為葉片通過(guò)頻率噪聲（Blade Passing Frequency, BPF）和寬頻噪聲（Broadband Noise）兩種。BPF噪聲產(chǎn)生的原因是由其扇葉和周?chē)諝庀嗷プ饔眠^(guò)程中，流場(chǎng)大范圍的驟變引起的。BPF噪聲分布在由風(fēng)扇的葉片數(shù)量和風(fēng)扇轉(zhuǎn)速共同決定的一些離散的頻率點(diǎn)上。相比之下，寬頻噪聲則是由氣流在小范圍的擾動(dòng)引發(fā)的，并且分布在很寬的頻帶上。

本文在對(duì)BPF氣動(dòng)噪聲進(jìn)行仿真時(shí)，采用的是LES湍流模型，并采用滑移網(wǎng)格進(jìn)行模型風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動(dòng)。之后采用FW-H（Fowcs Williams-Hawk- ings）噪聲模塊對(duì)噪聲值進(jìn)行預(yù)測(cè)。

1.3 試驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)置

1.3.1氣動(dòng)性能實(shí)驗(yàn)和噪聲臺(tái)架實(shí)驗(yàn)

冷卻風(fēng)扇的氣動(dòng)性能實(shí)驗(yàn)和氣動(dòng)噪聲實(shí)驗(yàn)分別在氣動(dòng)性能實(shí)驗(yàn)臺(tái)架和半消聲室中進(jìn)行。氣動(dòng)性能試驗(yàn)主要是為了測(cè)試風(fēng)扇的實(shí)際轉(zhuǎn)速、靜壓大小還有出風(fēng)口的風(fēng)量。如圖3所示，詳細(xì)試驗(yàn)方法見(jiàn)文獻(xiàn)[11]。

1—錐形集流器；2—節(jié)流加載板；3、5—整流罩；4—試驗(yàn)風(fēng)筒；6—風(fēng)扇；7—轉(zhuǎn)速、扭矩傳感器；8—調(diào)速電機(jī)；9、10—皮托管。

1.3.2在自由場(chǎng)中測(cè)量風(fēng)扇噪聲

噪聲實(shí)驗(yàn)則是在長(zhǎng)25 m寬20 m高4 m的半消聲室進(jìn)行，測(cè)試風(fēng)扇中心前1 m處離地高度為0.5 m的噪聲，厚度為10 cm的吸收體和厚度為20 cm的壁完全吸收聲音的反射為了防止外界噪音。

1.4 原始風(fēng)扇仿真和實(shí)驗(yàn)對(duì)比

1.4.1原始風(fēng)扇仿真和試驗(yàn)頻譜對(duì)比

對(duì)原始風(fēng)扇臺(tái)架實(shí)驗(yàn)的工況設(shè)置為電機(jī)的功率315 kW，風(fēng)扇的額定轉(zhuǎn)速2 580 r/min，出口靜壓0 Pa，進(jìn)行臺(tái)架實(shí)驗(yàn)。原始風(fēng)扇仿真時(shí)的工況實(shí)際轉(zhuǎn)數(shù)和出口壓力設(shè)置均與臺(tái)架實(shí)驗(yàn)相同。原始風(fēng)扇在監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的A計(jì)權(quán)聲壓頻譜分布臺(tái)架實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果高度吻合，而且頻譜上所呈現(xiàn)的規(guī)律相同，1、2、3階的 BPF峰值依次先升高后下降，最高峰都出現(xiàn)在了2階BPF處，4階及之后的更高階的峰值都較小，可忽略不計(jì)。但是寬頻噪聲在總噪聲中（尤其在高頻段）占的比重較大，不可忽略。這一結(jié)果和范士杰的研究結(jié)論一致，BPF噪聲產(chǎn)生的原因是由葉片周?chē)暧^的流場(chǎng)變化，可以采用大渦模型對(duì)風(fēng)扇瞬態(tài)的流場(chǎng)進(jìn)行仿真來(lái)預(yù)測(cè)出扇葉表面的壓力脈動(dòng)變化，進(jìn)而再結(jié)合聲類(lèi)比的方法預(yù)測(cè)流場(chǎng)的遠(yuǎn)場(chǎng)的氣動(dòng)噪聲[12]。

1.4.2原始風(fēng)扇仿真和試驗(yàn)氣動(dòng)性能及聲壓級(jí)對(duì)比

表1展示了原始風(fēng)扇的風(fēng)量以及A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)的臺(tái)架實(shí)驗(yàn)值與仿真值的對(duì)比結(jié)果。當(dāng)工況轉(zhuǎn)速為2 580 r/min時(shí)，進(jìn)風(fēng)量的誤差為1.09%，監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的噪聲誤差為1.06%，滿足工程要求。因此，本文中運(yùn)用的仿真方法和仿真結(jié)果可以信賴(lài)，并用于風(fēng)扇結(jié)構(gòu)改進(jìn)優(yōu)化中。

表1 冷卻風(fēng)扇原始方案仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

2 冷卻風(fēng)扇扇葉仿生結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1 扇葉仿生原理

在自然中，蒼鷹等飛禽在高速飛行的過(guò)程中，幾乎能達(dá)到靜音，這主要是由于其具有獨(dú)特的羽毛形態(tài)結(jié)構(gòu)造成的，蒼鷹翅膀上的條紋相間的鋸齒形態(tài)是其實(shí)行靜音飛行的主要原因所在[13]。條紋相間的結(jié)構(gòu)能夠改變羽毛體表氣流流動(dòng)狀態(tài)，使得空氣順著羽毛溝槽方向發(fā)展，避免紊流的產(chǎn)生，從而抑制渦流噪聲及其壓力脈動(dòng)；羽端尖部的鋸齒形狀可以分割尖部的尾流，降低該區(qū)域的大渦數(shù)量，達(dá)到降噪目的。

2.2 風(fēng)扇葉片的仿生設(shè)計(jì)

風(fēng)扇葉片仿生設(shè)計(jì)包括下面幾個(gè)內(nèi)容：（1）幾何及表面相似性設(shè)計(jì)；（2）生物的行為和工程應(yīng)用條件相似性分析；（3）仿生設(shè)計(jì)的優(yōu)化修正。

2.2.1風(fēng)機(jī)葉片仿生的幾何相似性

機(jī)械工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)，結(jié)構(gòu)和形狀的仿生是其仿生的主要內(nèi)容，即令仿生葉片的形態(tài)和被模仿的生物具有相同的特點(diǎn)。鳥(niǎo)飛行時(shí)翅膀?yàn)闄E圓形狀，翅膀的末端是構(gòu)成鋸齒狀結(jié)構(gòu)的羽毛，翅膀的下表面（正壓力面）的條紋狀非光滑形態(tài)，呈現(xiàn)鋸齒波浪狀。受限于加工工藝和材料方面的等因素，可以將鳥(niǎo)的翅膀的幾何形狀抽象轉(zhuǎn)換為風(fēng)扇葉片的鋸齒形和風(fēng)扇正壓力面的波紋。圖4示意了這種模仿和抽象的過(guò)程。仿生特征要素的幾何狀態(tài)通常不規(guī)則，在盡可能還原鳥(niǎo)類(lèi)翅膀特征的情況下，可以用規(guī)則幾何圖形來(lái)替代。鳥(niǎo)的翅膀末端呈鋸齒形，可以將風(fēng)扇葉片相似成鋸齒形；鳥(niǎo)的翅膀表面由羽毛構(gòu)成類(lèi)似條紋狀形態(tài)，抽象成波紋形。

圖4 鳥(niǎo)類(lèi)翅膀到風(fēng)扇葉片的仿生

2.2.2風(fēng)機(jī)葉片仿生的空氣動(dòng)力相似性

風(fēng)扇葉片和鳥(niǎo)的翅膀的空氣動(dòng)力學(xué)特征上具有高度相似性。鳥(niǎo)類(lèi)翅膀的前緣撞擊前方氣流，該部位承受撞擊壓力及產(chǎn)生噪聲。風(fēng)扇葉片的前緣也同樣對(duì)原來(lái)的氣流層產(chǎn)生影響，以及沖擊力和沖擊噪聲。鳥(niǎo)翼的下表面受到空氣壓力的影響，這種具有一定壓力的流動(dòng)空氣會(huì)產(chǎn)生摩擦噪聲和渦流噪聲。葉片前表面與風(fēng)機(jī)軸線之間存在一定的偏轉(zhuǎn)角，當(dāng)葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)，給予空氣穩(wěn)定的動(dòng)力，使空氣不斷受到壓縮和加速。這樣，壓力較大的空氣流過(guò)葉片表面，會(huì)產(chǎn)生摩擦噪聲和渦流噪聲。圖5為鳥(niǎo)的翅膀和葉片空氣動(dòng)力示意圖。

圖5 鳥(niǎo)的翅膀和風(fēng)扇葉片的動(dòng)力學(xué)示意

2.2.3仿生設(shè)計(jì)的優(yōu)化修正

生物具有某些特性，可以很好地解決一些生存問(wèn)題。例如，貓頭鷹翅膀和身體的條紋和鋸齒狀非光滑形態(tài)特征有利于提高飛行速度和降低飛行噪聲。然而，貓頭鷹的非光滑形態(tài)特征對(duì)于降噪和減阻并不是最佳的。原因在于生物生存環(huán)境的局限性。因此，對(duì)于仿生學(xué)來(lái)說(shuō)，生物原型的特性通常不是最優(yōu)的，而是可以繼續(xù)“推進(jìn)”的，這就是仿生設(shè)計(jì)的優(yōu)化修正?；谏热~結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和葉片美學(xué)的考慮，在鋸齒狀的葉片基礎(chǔ)上，進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，將葉片表面的細(xì)條紋特征進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后的風(fēng)扇設(shè)計(jì)的靈感來(lái)自于上文中劉小民[14]提出的鋸齒形態(tài)的氣動(dòng)性能優(yōu)化理論，并在此理論的基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化，設(shè)計(jì)了一種波浪形的冷卻風(fēng)扇葉片，既能減小氣流分離，又能緩解氣流分離所帶來(lái)的振動(dòng)。如圖6所示。

圖6 葉片仿生設(shè)計(jì)的優(yōu)化修正

2.3 仿生扇葉結(jié)構(gòu)參數(shù)

為了比較改進(jìn)前后扇葉的變化帶來(lái)的優(yōu)化效果，改進(jìn)前改進(jìn)后的風(fēng)扇采用了同樣的風(fēng)扇直徑=380 mm，輪轂直徑=130 mm，且均采用了等間距布置扇葉，為了使得仿真值和實(shí)驗(yàn)更接近，改進(jìn)前后的風(fēng)扇框都保留了完整的風(fēng)扇框細(xì)節(jié)筋條等特征。風(fēng)扇改進(jìn)后的吸力面如圖7有了明顯的變化。

圖7 改進(jìn)前后扇葉吸力面對(duì)比圖

根據(jù)劉小民在文集中證實(shí)鳥(niǎo)類(lèi)非光滑鋸齒形羽狀能夠抑制氣流分離的原理[15]，兩款風(fēng)扇的區(qū)別主要在于，改進(jìn)后的風(fēng)扇是采用了仿生學(xué)鳥(niǎo)類(lèi)非光滑的波浪形扇葉，如圖8所示。

圖8 風(fēng)扇葉片形狀對(duì)比

風(fēng)扇改進(jìn)前后葉片中部柱截面處葉片幾何參數(shù)如圖9所示。由圖9可以看出，改進(jìn)后弦長(zhǎng)由127.5 mm改為兩段弦長(zhǎng)，分別為38.5 mm和 89 mm，葉片前緣方向角由30°40′改進(jìn)為32°20′，葉片后緣方向角由16°10′改進(jìn)為20°10′，葉形彎轉(zhuǎn)角由46°50′改進(jìn)為55°40′，弦長(zhǎng)縮短的同時(shí)方向角、彎轉(zhuǎn)角均增大，有利于減小每個(gè)葉片吸力面處的渦旋數(shù)量和分散提前脫渦，從而降低壓力脈動(dòng)引起的氣動(dòng)噪聲。

3 原始風(fēng)扇和仿生風(fēng)扇性能對(duì)比

3.1 原始風(fēng)扇和改進(jìn)風(fēng)扇仿真值的噪聲及氣動(dòng)性能對(duì)比

計(jì)算過(guò)程中，和實(shí)驗(yàn)一樣，在風(fēng)扇中心前1 m處離地高度為0.5 m的地方設(shè)置噪聲監(jiān)測(cè)點(diǎn)?？梢钥吹奖O(jiān)測(cè)點(diǎn)A計(jì)權(quán)聲壓頻譜分布如圖10所示。

圖10 原始風(fēng)扇和改進(jìn)風(fēng)扇仿真值頻譜對(duì)比

改進(jìn)后的風(fēng)扇的BPF的峰值明顯低于原始風(fēng)扇的值，在1階、2階、3階的BPF處的峰值比原始風(fēng)扇分別低了4.21 dB(A)、6.89 dB(A)、8.26 dB (A)，并且高頻比低頻下降的趨勢(shì)更大。在BPF噪聲下降的情況下，優(yōu)化后的風(fēng)扇還實(shí)現(xiàn)了風(fēng)量的提升，比原始風(fēng)扇提升了14.36%。表2對(duì)比了改進(jìn)前后的風(fēng)扇性能?？傮w來(lái)說(shuō)，優(yōu)化后的風(fēng)扇噪聲性能和空氣動(dòng)力性能比原始風(fēng)扇都有了較大的提升。

表2 冷卻風(fēng)扇改進(jìn)前后性能對(duì)比 轉(zhuǎn)速/(r/min)

根據(jù)NASHIMOTO等人對(duì)無(wú)葉圈汽車(chē)散熱器風(fēng)扇的研究結(jié)果[16]，冷卻風(fēng)扇噪聲源首先分布在扇葉前緣的吸力面，這里風(fēng)扇的流場(chǎng)發(fā)生了氣流的分離以及再附著的情況；排在第二的噪聲源是在扇葉尾緣周?chē)缮热~尖渦流和尾部渦脫離產(chǎn)生的噪聲。因此，本文從扇葉前緣渦流分離、風(fēng)扇葉尖渦流以及尾部渦脫現(xiàn)象來(lái)分析改進(jìn)后的風(fēng)扇降噪原理。

3.2 仿真后處理對(duì)比

3.2.1原始風(fēng)扇和改進(jìn)風(fēng)扇扇葉前緣氣流分離對(duì)比

圖11顯示原始風(fēng)扇和改進(jìn)風(fēng)扇吸力面靜壓云圖對(duì)比，從圖上可以看出，改進(jìn)后的風(fēng)扇在扇葉表面整體壓力梯度過(guò)渡更加平緩，并且在靠近護(hù)風(fēng)圈處的第二個(gè)波浪形凹陷處，相對(duì)于原始風(fēng)扇，氣流分離的情況明顯得到了抑制。另外，改進(jìn)后扇葉前端的區(qū)域的風(fēng)扇正壓明顯大于原始風(fēng)扇。以上說(shuō)明改進(jìn)后的波浪形扇葉設(shè)計(jì)能夠明顯減小扇葉吸力面前緣氣流的分離，使得優(yōu)化效果在扇葉的頂端區(qū)域更加顯著。

圖11 原始風(fēng)扇和改進(jìn)風(fēng)扇吸力面靜壓對(duì)比

3.2.2原始風(fēng)扇和改進(jìn)風(fēng)扇扇葉葉尖渦流對(duì)比

為了研究原始風(fēng)扇和改進(jìn)后風(fēng)扇葉尖與葉圈及護(hù)風(fēng)圈相互作用下流場(chǎng)的復(fù)雜情況，特地截取了兩個(gè)風(fēng)扇在扇葉末端的截面速度矢量云圖。從圖12可以看出，葉尖渦流的發(fā)展始于葉圈吸力區(qū)的上游，隨后在氣流和扇葉作用的推動(dòng)下，逐漸向后方發(fā)展。但兩款風(fēng)扇不同的地方在于，原始風(fēng)扇在扇葉圈和護(hù)風(fēng)圈之間的回流強(qiáng)度更大，速度更快，渦流范圍更大，從圖13的等勢(shì)面可以看出，原始風(fēng)扇扇葉渦流區(qū)域明顯大于改進(jìn)后的風(fēng)扇。而改進(jìn)后的風(fēng)扇葉尖端的氣流分離也得到了抑制，從而使得扇葉、葉圈、護(hù)風(fēng)圈之間的渦流并沒(méi)有被增強(qiáng)。由此可見(jiàn)，波浪形扇葉在吸力面前緣抑制住氣流的分離，能夠有效降低葉尖在護(hù)風(fēng)圈產(chǎn)生的渦流能量，實(shí)現(xiàn)噪聲源的降低。

圖12 原始風(fēng)扇和改進(jìn)風(fēng)扇截面速度矢量圖

圖13 原始風(fēng)扇和改進(jìn)風(fēng)扇渦量為100的等勢(shì)

3.2.3原始風(fēng)扇和改進(jìn)風(fēng)扇葉片尾渦對(duì)比

圖14是原始風(fēng)扇和改進(jìn)風(fēng)扇在扇葉末端截面渦量云圖。從圖上可以看出，改進(jìn)后的風(fēng)扇的尾部渦流范圍明顯比原始風(fēng)扇的范圍減小，且能量更低。因此，改進(jìn)后的風(fēng)扇渦流在扇葉前緣和葉尖處都得到了抑制，并且能量沒(méi)有得到加強(qiáng)。從而可以推斷出，改進(jìn)后波浪形的扇葉能夠有效地減小葉片尾渦的產(chǎn)生，這三個(gè)噪聲源的噪聲得到了優(yōu)化對(duì)降低風(fēng)扇噪聲都是有利的。

圖14 原始風(fēng)扇和改進(jìn)風(fēng)扇截面渦量云圖

4 總結(jié)

本文采取三維CFD方法，運(yùn)用多核并行運(yùn)算，采用大渦模擬方法計(jì)算風(fēng)扇瞬態(tài)流場(chǎng)，獲得原始風(fēng)扇表面的速度和壓力脈動(dòng)等信息，再結(jié)合聲類(lèi)比理論預(yù)測(cè)風(fēng)扇遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲。并將原始風(fēng)扇仿真結(jié)果與臺(tái)架實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，確保仿真結(jié)果的可靠性，然后根據(jù)軸流風(fēng)扇氣動(dòng)噪聲產(chǎn)生的原理，在確保流場(chǎng)及風(fēng)扇其他特征不變的前提下，只對(duì)扇葉結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改善風(fēng)扇的BPF噪聲，進(jìn)而降低整個(gè)風(fēng)扇總聲壓級(jí)。改進(jìn)后的風(fēng)扇，在工況為2 580 r/min時(shí)，進(jìn)風(fēng)量為1.035 kg/s，比原始風(fēng)扇的仿真值進(jìn)風(fēng)量增加了14.36%，總聲壓級(jí)由73.24 dB(A)下降到69.15 dB(A)，降低了4.09 dB(A)。風(fēng)扇葉片的1階聲壓級(jí)由59.23 dB(A)下降到55.02 dB(A)，降低了4.21 dB(A)。后處理結(jié)果表明，（1）改進(jìn)后的波浪形扇葉設(shè)計(jì)能夠明顯減小扇葉吸力面前緣氣流的分離；（2）波浪形扇葉在吸力面前緣抑制住氣流的分離，能夠有效降低葉尖在護(hù)風(fēng)圈產(chǎn)生的渦流能量；（3）改進(jìn)后波浪形的扇葉能夠有效地減小葉片尾渦的產(chǎn)生。

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Simulation Study on Noise Reduction of Bionic Blade for Cooling Fan of a New Energy Vehicle

LI Xiaomei1, QIN Haiming*2, LI Qian1, CHANG Guangbao1, YAN Xiang1

( 1.SAIC GM Wuling Automobile Company Limited, Liuzhou 545000, China;2.Hunan Huda Aisheng Automobile Technology Development Company Limited, Liuzhou 545000, China )

In this paper, we design the fan structure of a new energy vehicle based on the principle of bionic design for reducing noise and improving cooling efficiency. In our preliminary work, large eddy simulation was used to obtain information such as the speed and pressure pulsation of the original fan surface, and the reliability of the simulation results was verified by comparing the bench test results. With reference to the silent characteristics of bird wings, the fan blades are re-designed with bionics optimization. Compared with the original fan structure, the obtained bionic design scheme achieves a 14.36% increase in air intake and a 4.09dB (A) reduction in total sound pressure level at the target speed. In addition, compared with the original design, the first-order sound pressure level of the fan has been reduced from 59.23dB(A) to 55.02dB(A), achieving a noise performance improvement of 4.21dB(A). With the rapid development of the new energy automobile industry, this work provides a set of feasible solutions for designing the fan of small new energy automobile. The technical route of numerical simulation, experimental verification, and optimization design of fan noise adopted in this paper has significance for the increasingly prominent problems of fan load and noise in the development of new energy vehicles.

New energy vehicle; Computational fluid dynamics (CFD); Bionic fan; Aerodynamic noise; Optimization design

U469.7; U467

A

1671-7988(2022)24-01-08

U469.7；U467

A

1671-7988(2022)24-01-08

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.024.001

李小梅（1988—），女，工程師，研究方向?yàn)榱黧w分析，E-mail:Xiaomei.Li@sgmw.com.cn。

覃海明（1991—），男，研究方向?yàn)榱黧w分析，E-mail:869820841@qq.com。

廣西創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展專(zhuān)項(xiàng)資金項(xiàng)目（桂科 AA18242034）。