基于CLES模型的風扇氣動噪聲數值模擬分析方法

袁磊， 冉均均

(成都理工大學工程技術學院， 核工程與新能源技術系， 四川， 樂山 614000)

0 引言

葉輪機械發出的噪聲主要是風扇的氣動噪聲[1-2]，因此需要對風扇氣動噪聲做數值模擬分析。此舉對低噪聲、高性能的風機產品進行改進和開發[3]。對于氣動噪聲，20世紀初就有學者對其進行了研究，但當時的研究很有局限性[4]，隨著研究的逐漸深入，氣動理論也不斷發展，對于各種機械氣動噪聲的研究都取得了一定成果。對于風扇氣動噪聲的研究，數值模擬分析是一種重要的研究方式，國外普遍應用的一種風扇氣動噪聲數值模擬分析方法是基于粒子圖像測速的數值模擬分析方法，而國內普遍應用 Lighthill 聲類比模型下的風扇氣動噪聲數值模擬分析方法。借鑒目前實際應用的這些研究成果，在對風扇氣動噪聲數值模擬分析進行研究的過程中應用了CLES模型，提出一種基于CLES模型的風扇氣動噪聲數值模擬分析方法，通過CLES模型精細劃分模擬網格，結合風扇氣動流場的穩態和瞬態模擬，實現了風扇氣動噪聲數值模擬分析中的性能突破。

1 基于CLES模型的風扇氣動噪聲數值模擬分析方法設計

1.1 構建計算域

在構建風扇氣動噪聲數值模擬分析模型的計算域之前，首先對風扇的幾何模型進行簡化，以節省計算時間與資源，簡化后的模型具體如圖1所示[5]。接著對計算域進行構建，共包括4個計算域分別為出口風道、管道銜接區、旋轉流體區和進口風道。

(a) 散熱風扇

(b) 冷凝風扇圖1 簡化后的模型

為了保障計算域出口與入口處保持零值相對大氣壓，必須將出口管道區與入口管道區設置為足夠長的區域[6]。以風扇試驗中的標準為依據，將入口管道仿真長度直接設置為直徑的六倍，將出口管道仿真長度直接設置為直徑的十倍，保持旋轉流體區接近于風扇外徑[7]，將旋轉流體區和管道銜接區之間的縫隙設置為10 mm。

在冷凝風扇、散熱風扇的對應計算域模型中，設置的具體尺寸如表1所示。

表1 設置的各區域尺寸

旋轉流體區與計算域的三視圖具體如圖2所示[8]。

(a) 旋轉流體區正視圖

(b) 旋轉流體區側視圖

(c) 旋轉流體區后視圖

(d) 計算域示意圖圖2 流體旋轉區與計算域的三視圖

1.2 處理換熱器

冷凝器是復雜薄片式結構，較小的換熱片尺寸會使模型變得非常復雜，帶來計算上的困難。因此，應用CLES模型中包含的6個要素對換熱片進行簡化處理，通過多孔介質代替換熱片，對冷凝器擾動和阻礙氣體流動的情況進行模擬[9]。多孔介質的對應二維模型表達式具體如下：

(1)

為獲取冷凝器的慣性阻力系數與粘性阻力系數，首先要獲取冷凝器中氣體速度與壓降間的關系。接著通過參數擬合方式對阻力系數進行計算[10]。獲取冷凝器中氣體速度與壓降間的關系共有2種方式：利用數值模擬法對部分翅片模型進行構建，通過Fluent模擬獲取二者關系；進行實驗測量。由于存在實驗條件方面的限制，選用第一種方法，構建部分翅片模型，通過模擬計算獲取氣流經過時二者的函數關系[11]。

構建的部分翅片模型具體如圖3所示。

圖3 構建的部分翅片模型

在圖3構建的部分翅片模型中，圓管直徑、翅片間距、翅片厚度分別為5 mm、2 mm、0.2 mm。沿圓管軸向，翅片具備對稱性與周期性[12]。

獲取的氣流經過時，壓力p的變化量具體如式(2)：

Δp=6.112u+3.158u2

(2)

則單位長度壓降S可以通過式(3)來求取：

(3)

式中，L表示翅片寬度，取值為32 mm。

綜合式(2)和式(3)，可以得到下式：

(4)

在式(4)中代入空氣的動力粘度與密度，通過計算獲取冷凝器的慣性阻力系數與粘性阻力系數，計算結果如式(5)：

(5)

1.3 數值模擬分析模型構建

網格質量對數值模擬分析結果有很大影響，因此需要對數值模擬分析模型中的網格實施精細劃分。通過 ANSA 軟件修復、檢測、劃分風扇的面網格，具體大小定為2 mm，使用三角形網格[13]。接著在STAR CCM+軟件中對體網格進行繪制，其中邊界層網格定為棱柱層網格類型，剩余體網格定為Trimmer 網格類型。

為了對流場信息進行更好的捕捉，實現計算精度的提升，設置3個計算域加密區。計算域劃分網格的具體數量為2 854 644個[14]。劃分網格后，在ICEM中導入風扇三維模型，實施氣動噪聲數值模擬分析模型的建模。

1.4 設置模型邊界條件

對數值模擬分析模型的邊界條件進行設置，設置的邊界條件具體如表2所示[15]。

表2 設置的邊界條件

1.5 氣動噪聲數值模擬分析

利用風扇氣動噪聲數值模擬分析模型進行氣動噪聲數值模擬分析。在分析中，穩態模擬計算設置的求解器參數具體如表3所示。

表3 穩態模擬計算中設置的求解器參數

等流場穩定以后，實施瞬態模擬計算，所設置的求解器參數具體如表4所示。

表4 瞬態模擬計算中設置的求解器參數

2 仿真實驗分析

2.1 實驗對象

使用基于CLES模型的風扇氣動噪聲數值模擬分析方法進行實驗風扇的氣動噪聲數值模擬分析。選擇實車冷卻系統作為實驗對象，該系統為雙風扇系統，由冷凝器、散熱器、風扇罩、冷凝風扇、散熱風扇構成，這些構成都會影響風扇氣動噪聲，為了獲得與實際情況更接近的數值模擬分析結果，對雙風扇系統實施仿真模擬，具體如圖4所示。其中，冷凝器與散熱器的多孔介質參數數據具體如表5所示。

(a) 正面仿真圖

(b) 側面仿真圖圖4 雙風扇系統仿真示意圖

表5 多孔介質參數具體數據

冷凝器與散熱器的厚度分別是20 mm、36 mm，二者的試驗風阻值具體如表6所示。

表6 冷凝器與散熱器的試驗風阻值

2.2 搭建實驗裝置

利用基于CLES模型的風扇氣動噪聲數值模擬分析方法對該雙風扇系統實施數值模擬分析時，還需要對實驗裝置進行搭建。實驗裝置包括雙風扇系統、機座、測試風筒、整流網、氣流調節閥等。利用搭建的實驗臺對雙風扇系統的工況進行改變，以對基于CLES模型的風扇氣動噪聲數值模擬分析方法的性能進行測試。

測試的基于CLES模型的風扇氣動噪聲數值模擬分析方法的性能包括渦流噪聲與旋轉噪聲的特征捕捉性能以及級間流場擾動模擬度。

2.3 測試結果

2.3.1 特征捕捉性能測試結果

首先對基于CLES模型的風扇氣動噪聲數值模擬分析方法獲得的渦流噪聲與旋轉噪聲的特征捕捉性能進行測試。渦流噪聲主要是由于氣流經過風扇葉尖進行不規則流動，產生的間隙渦流噪聲。旋轉噪聲主要是由不等距風扇葉片旋轉時氣體在不同角度葉片間流動引起。通過分析2種不同工況下的風扇噪聲，驗證設計方法的有效性。利用基于CLES模型的風扇氣動噪聲數值模擬分析方法，在2種工況下對渦流噪聲與旋轉噪聲進行特征捕捉，具體測試結果如圖5所示。

(a) 渦流噪聲特征捕捉結果

(b) 旋轉噪聲特征捕捉結果圖5 渦流噪聲與旋轉噪聲特征捕捉測試結果

綜合圖5的渦流噪聲與旋轉噪聲特征捕捉測試結果，發現基于CLES模型的風扇氣動噪聲數值模擬分析方法能夠在不同工況下對渦流噪聲特征進行細致地捕捉，同時也可以在不同工況下對旋轉噪聲進行細致的捕捉，說明基于CLES模型的風扇氣動噪聲數值模擬分析方法具備良好的噪聲特征捕捉性能。

2.3.2 級間流場擾動模擬度測試結果

利用基于CLES模型的風扇氣動噪聲數值模擬分析方法對實驗雙風扇系統的級間流場擾動進行模擬，并對模擬度進行測試。在測試中，為使實驗獲取更加豐富的數據，將當前普遍應用的2種風扇氣動噪聲數值模擬分析方法作為對比方法共同進行級間流場擾動模擬度的測試，并通過搭建的實驗臺創造多種工況進行測試。

這2種方法分別為基于粒子圖像測速和Lighthill 聲類比模型下的風扇氣動噪聲數值模擬分析方法。3種風扇氣動噪聲數值模擬分析方法的級間流場擾動模擬度測試結果具體如表7所示。

表7 級間流場擾動模擬度測試結果

表7的級間流場擾動模擬度測試結果表明，基于CLES模型的風扇氣動噪聲數值模擬分析方法的級間流場擾動模擬度最高可達6.85；基于粒子圖像測速的風扇氣動噪聲數值模擬分析方法的級間流場擾動模擬度最高可達5.63；Lighthill 聲類比模型下的風扇氣動噪聲數值模擬分析方法的級間流場擾動模擬度最高可達4.69。可見基于CLES模型的風扇氣動噪聲數值模擬分析方法的整體級間流場擾動模擬度更高，能夠更好地進行級間流場擾動模擬。

3 總結

將CLES模型應用于風扇氣動噪聲數值模擬分析可以實現良好的噪聲特征捕捉與更高的級間流場擾動模擬度，這證明CLES模型在數值模擬分析的過程中起到了很大的作用。研究取得的成果對于風扇氣動噪聲改善的工程實踐與理論研究都存在一定的指導意義。但本文研究的方法對于定常和非定常條件考慮得較少，且對于風扇轉速下內流的變化未作分析，在未來的研究中，還需進一步深入分析。