基于流聲耦合的軸流風機氣動噪聲數值模擬研究

張桂艷

（貴州裝備制造職業學院，貴州貴陽 551400）

1 軸流風機當前存在的噪聲問題

軸流風機的噪聲包括氣動噪聲、機械噪聲和電磁噪聲等，隨著時代發展和技術的迭代更新，氣動噪聲成為當前軸流風機的主要噪聲。到現今為止，對小型軸流風機流場和聲場的理論計算還沒有一個成熟的方法，隨著近年來計算機技術的快速發展和算法的改善，通過數值模擬來仿真軸流風機的流場和聲場這一方法已逐漸變為現實。文章主要采取數值模擬的方法來對小型軸流風機進行分析。

2 軸流風機尺寸及模型建立

2.1 軸流風機尺寸

軸流風機仿真計算模型包括實體幾何模型的建立、仿真計算域的建立及網格模型的建立三部分內容，其中每一環節都將影響到后續的仿真。所用到的軸流風機主要由動葉片、外框和靜葉片組成，其中外框和靜葉片連成一體。風機長寬高分別為80 mm、38 mm、80 mm。動葉片數量為5葉，動葉直徑為74 mm，輪轂直徑為43 mm，輪轂厚度為22 mm；靜葉片數量為3 葉，扇框內徑86 mm，扇框還包括在入風口處具有集流作用的倒角以及在出風口處具有擴壓作用的倒角。風機使用電壓范圍在7～13.8 V 以內，轉速8 400 r/min，產生風量132 m3/h。

2.2 軸流風機幾何模型建立

軸流風機的動葉片是風機中最重要的部分，它的幾何參數包括葉片直徑、葉片安裝角、葉片彎掠角等的大小，均影響風機的流量及噪聲的大小，所以，為保證建模精度，軸流風機實體幾何模型的建立采用逆向工程的方法。

逆向建模工程可具體概括為三步：掃描儀采集數據、模型特征數據的識別和提取、利用建模軟件重建模型。掃描之前需要在風機上均勻地噴涂白色的顯像劑，同時需要在風機下方放入黑色的墊子增加對比度。此外，為了使風機各個表面均掃描到，需要把風機拆開，將動葉片和扇框分開進行掃描。

掃描完成后可得到軸流風機曲面參數的點云數據，由于實體模型表面粗糙度不同，掃描時隨機誤差等原因的存在，點云數據不可能完全與原模型相同，所以為了使后續CAD 模型重建可以方便、準確的進行，需要對數據進行預處理。

經過預處理的點云數據已經與實體模型的特征近乎一致，可以利用這些數據和邊界曲線通過算法來構建曲面，從而擬合出風機表面的曲面形狀。通過這種方式得到的風機三維模型具有較高的修改能力，將曲面導入到建模軟件NX 中，通過拉伸、旋轉、邊界混合等一系列操作建立出軸流風機的原始幾何模型。

3 軸流風機仿真計算域建立

仿真時所用到的模型是軸流風機內部及周圍的空氣域，并不是風機幾何模型，所以要建立仿真流體計算域。軸流風機在工作時，動葉片會繞軸旋轉，在仿真計算域建模時要考慮到旋轉計算域的建立。

對軸流風機進行仿真時，需要給定確切的入口和出口邊界條件，此外為了減少回流，需要在風機的入口和出口段延伸出一部分，以便于模擬出軸流風機在實驗時外部氣體的流動情況。風機入口處的流動還未經過風機做功，所以為平直的層流，而相反的出口處的流動較為混亂，所以通常來說，入口長度為風機長度的2～4倍，出口長度為風機長度的8～10倍。

3.1 軸流風機網格模型建立

在計算流體力學中需要用到離散化的數值方法。離散即將一個連續的物體劃分成一定數量的單元，這個單元即為網格。網格劃分時工作量大，同時涉及到的問題很多，網格的數量和質量會直接影響到之后計算的效率和精度，所以網格劃分是數值計算過程中最重要的環節之一。

結構化網格和非結構化網格是網格劃分的兩種方法。簡單來說，對于二維模型結構化網格只包含四邊形，而非結構化網格包含三角形；對于三維模型結構化網格只包含六面體，而非結構化網格包含四面體，結合軸流風機的模型特點，對軸流風機的旋轉計算域和扇框內的靜計算域采用非結構化網格，而對形狀規則的入口計算域和出口計算域采用結構化網格。

結構化網格在拓撲結構上每一層的網格上都是均勻的且各層節點相等，這樣得到的網格數量少、精度較高，且結構化網格對處理粘性問題效果較好，但是對于模型的適應性較差。外形復雜的模型生成結構化網格是比較困難的，非結構化網格的拓撲結構不是均勻的，對復雜模型的處理較為靈活，但是劃分相同模型，非結構化網格的數量要遠大于結構化分網。目前來看，隨著計算方法的改進，非結構化網格和結構化網格在計算過程中的結果相差越來越小。

3.2 數值模擬方法

3.2.1 求解器選擇

在Fluent 軟件中求解器分為兩類，密度基求解器和壓力基求解器。密度基求解器通常適用于高速可壓縮流體或者強耦合流動；而不可壓縮的低速流體的計算通常使用專門針對這一問題的壓力基求解器來求解。區分流體的壓縮程度可以通過計算馬赫數（M）大小來表示，其關系式為：

式（1）中，v表示流體的速度；c表示聲音在空氣中的傳播速度，為340 m/s。當馬赫數小于0.3時，可認為流體是低速不可壓縮的；當馬赫數超過0.3時，流體的可壓縮性便不可忽略；當馬赫數超過0.8時，流體為亞音速可壓縮。

3.2.2 求解方法的選擇

常用的算法有SIMPLE 算法，SIMPLEC 算法和PISO 算法。SIMPLE 算法是預測-修正兩步算法；SIMPLEC 算法是對SIMPLE 算法的改進，改變一些壓力修正項系數，可以加快計算的收斂，但收斂精度較低；PISO 算法是預測-修正-再修正，更加適用于瞬態的求解。穩態選擇SIMPLE 算法，而瞬態選擇PISO 算法。

3.2.3 湍流模型的選擇

軸流風機的仿真分為兩步仿真，穩態流場仿真和瞬態聲場仿真，兩次仿真均需選擇合適的湍流模型。穩態仿真的湍流模型選擇雷諾平均模型中的RNGk-ε模型；為了配合聲場模擬的FW-H 方程，瞬態仿真的湍流模型則選擇大渦模擬方法。

3.2.4 聲源及氣動噪聲模型的選擇

在聲源選擇時，Fluent 不支持選擇兩個包含關系的聲源面，如扇框和動葉片不可同時選擇，所以只選擇動葉片作為數值仿真的聲源。氣動噪聲模型選擇萊特希爾聲比擬方法，即開啟FW-H 方程來仿真。

3.2.5 動靜域計算模型選擇

Fluent 中用于處理動靜域模型的方法主要可分為單參考系模型、多參考系模型、滑移網格模型和動網格模型等，其中前兩種適用于穩態求解，后兩種適用于瞬態求解。單參考系模型用于單一的運動區域，參考系與運動區域相對靜止。本文的軸流風機既包括旋轉域又包括靜止域，所以不能采用單參考系模型。多參考系模型是多域模型中最簡便的方法之一，這種方法在旋轉域中采用相對坐標系，在靜止域中采用絕對坐標系，兩個域直接通過交界面（interface）來傳遞。此模型簡單經濟，對流動的處理也較為可信。瞬態計算中滑移網格模型是在多參考系模型的基礎上發展而來，原理與前者類似，所以瞬態的計算采用滑移網格模型。

3.2.6 邊界條件的選擇

風機動葉片壁面條件設置為轉動壁面條件，并給定仿真需要的轉速。動靜域的交界面根據上文所述的計算模型選擇為interface。入口邊界條件設定為壓力入口，總壓設置為0Pa，意為與外界大氣壓相同，入口湍流強度可根據公式計算：

式（2）中，Re 為流體的雷諾數，出口邊界條件設定為壓力出口，靜壓根據仿真需要設置。

3.2.7 時間步長的選擇

在瞬態計算時，需要對時間步長進行設定。在每個時間步長內都要保證計算收斂，減小時間步長，計算仿真精度會提高，但是計算時間也會延長；增大時間步長，可能會出現庫朗數過大的情況而無法計算。在氣動噪聲計算時，時間步長t的選取與聲音的頻率相關，關系式如下：

式（3）中，f表示頻率，因為人耳可以聽到的聲音頻率范圍在20～20 000 Hz 之間，所以將頻率設置為20 000 Hz，這樣Δt即為2.5×10-5s，此外還要保證每個時間步內都收斂。

4 聲場數值仿真結果分析及實驗驗證

仿真時以軸流風機動葉輪中心為坐標原點，風機繞Z 軸旋轉，此外在風機四周X 軸、Y 軸方向分別設置6個噪聲監測點，其中Z 軸正向的receiver5作為主要噪聲監測點，其他5個監測點的數據作為參考，各監測點與原點的距離都為1 m。

噪聲監測點的聲壓級大小，可根據公式：

噪聲的聲壓級值越大，聲音的強度越高，但是人耳對聲音的反應不僅與強度大小有關，還與聲音的頻率相關。聲壓級相同而聲音頻率不同的噪聲人耳的反應是不一樣的，通常來說人們對低頻噪聲不是特別敏感，而對高頻噪聲較為厭煩。所以除了噪聲的聲壓級，還要對噪聲的頻譜進行關注，將仿真值經過FFT 變換后，可得到監測點噪聲在各個頻率上的聲壓級大小。

軸流風機的噪聲測試實驗依據國標聲學聲壓法測定噪聲源聲功率級消音室和半消聲室精密法（GB/T6882-2008）和風機和羅茨風機噪聲測量方法（GB/T2888-2008）所規定的實驗場地和實驗方法進行。實驗時用麥克風對噪聲進行收聲，麥克風的設置與上文receiver5噪聲監測點的位置相同，即在Z 軸正向距動葉片中心1 m 處。如圖1所示。

圖1 軸流風機噪聲測試結論

5 實施方案及措施

影響軸流風機氣動噪聲的因素很多，在利用仿真軟件求解時一般采用以下流程。

（1）物理問題抽象。這一步主要解決的問題是決定計算的目的.在對物理現象進行充分認識后，確定要計算的物理量，同時決定計算過程中需要關注的細節問題。

（2）計算域確定：在決定計算內容之后，緊接著要做的工作是確定計算空間，這部分工作主要體現在幾何建模上。

（3）劃分計算網格。當確定計算域之后，則需要對計算域幾何模型進行網格劃分。生成網格的程序有很多，網格質量直接影響計算精度，因此在生成網格之后，需要檢查網格的質量，另一個與網格相關的問題是邊界層網格劃分。在劃分邊界層網格時，需要根據外部流動條件估算第一層網格與壁面間距，同時需要確定邊界厚度或邊界層層數。

（4）選擇物理模型。在第一步工作中確定了需要模擬的物理現象，在此需要選擇對應的物理模型.若考慮傳熱，需要選擇能量模型；若考慮湍流，則需要選擇湍流模型；若考慮多項流，則需要選擇多相流模型等。

（5）確定邊界條件。確定計算域實際上是確定了邊界位置，在這一步工作中，需要確定邊界位置上物理量的分布，通常需要考慮邊界類型、物理量的指定。不同的邊界類型組合對于收斂性有著重要的影響，無論采用何種邊界組合，都要求邊界信息是物理真實的，一般要求試驗獲取。

（6）設置求解參數。在上面的工作均進行完之后，則需要設定求解參數，包括一些監控物理量設定、收斂標準設定、求解精度控制等，若為瞬態計算，則可能還涉及自動保存、動畫設定等，不同的物理問題，需要設定的求解參數也存在差異。

6 結束語

采用計算流體力學和氣動聲學中的聲類比的方法對軸流風機的流場和聲場性能進行計算分析，確定了風機的建模方法，ICEM 網格劃分方法及Fluent 求解設置方法，并通過實驗進行了驗證。對風機流場中的壓力、速度等分布情況和風機聲場中頻譜分布等問題進行了深入研究。