風(fēng)扇寬頻渦流氣動噪聲分析及降噪

張曉輝　丁保安　王景新　張偉龍　李超　趙雪飛

摘要：為降低風(fēng)扇的寬頻渦流氣動噪聲，基于風(fēng)扇氣動噪聲仿真流程和聲比擬理論，采用流體仿真軟件STAR-CCM+建立三維模型，計算風(fēng)扇葉片時域脈動壓力，并與聲學(xué)軟件LMS virtual lab扇聲源分區(qū)合成的風(fēng)扇葉片時域脈動壓力對比，對風(fēng)扇噪聲進(jìn)行仿真計算和整車噪聲測試驗證。將風(fēng)扇護(hù)風(fēng)罩與風(fēng)扇葉尖間隙由15 mm調(diào)整為5 mm，并對比優(yōu)化前后仿真計算與整車噪聲測試結(jié)果。結(jié)果表明：STAR-CCM+軟件計算的風(fēng)扇葉片時域脈動壓力曲線與聲學(xué)軟件LMS virtual lab扇聲源分區(qū)合成的風(fēng)扇葉片時域脈動壓力曲線吻合度較好；LMS test lab軟件仿真分析頻譜與整車噪聲測試結(jié)果聲壓級相對誤差為0.56%，結(jié)果基本一致；風(fēng)扇護(hù)風(fēng)罩與風(fēng)扇葉尖間隙由15 mm調(diào)整為5 mm后，仿真計算和整車測試噪聲聲壓級均方根分別降低了約9.00、4.00 dB，降噪效果明顯。

關(guān)鍵詞：風(fēng)扇；氣動噪聲；壓力脈動；窄頻BPF噪聲；寬頻渦流噪聲

中圖分類號：TK411+.6文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1673-6397（2023）04-0061-06

引用格式：張曉輝，丁保安，王景新，等.風(fēng)扇寬頻渦流氣動噪聲分析及降噪［J］.內(nèi)燃機(jī)與動力裝置，2023，40（4）：61-66.

ZHANG Xiaohui， DING Baoan， WANG Jingxin，et al. Analysis of fan wide-band eddy aerodynamic noise and its noise reduction［J］.Internal Combustion Engine & Powerplant， 2023，40（4）：61-66.

0 引言

噪聲源主要由振動噪聲源和氣動噪聲源構(gòu)成[1]。振動噪聲由結(jié)構(gòu)振動輻射產(chǎn)生，氣動噪聲是由流體流動中的湍流引起并傳播出來的噪聲，在各種高速機(jī)械（如高鐵、飛機(jī)、汽車以及旋轉(zhuǎn)機(jī)械等）中均會產(chǎn)生[2]。風(fēng)扇在旋轉(zhuǎn)做功時切割空氣，形成渦流，產(chǎn)生氣動噪聲，主要有窄頻帶的葉片通過頻率離散（blade passing frequency，BPF）噪聲和寬頻帶渦流噪聲2種。BPF噪聲影響聲音品質(zhì)，主要由風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)過程中葉片附近的周期性壓力脈動產(chǎn)生，與風(fēng)扇轉(zhuǎn)速和葉片數(shù)相關(guān)。BPF噪聲頻譜曲線成倍頻關(guān)系，具有周期性強(qiáng)、易于分析的特點(diǎn)；寬頻渦流噪聲影響總噪聲，主要由葉尖間隙回流到風(fēng)扇入口和旋轉(zhuǎn)葉片的相互作用產(chǎn)生，具有成因復(fù)雜、不易分析的特點(diǎn)[3-4]。

本文中基于風(fēng)扇氣動噪聲仿真流程，建立發(fā)動機(jī)艙的三維計算流體動力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）仿真模型，通過流體分析軟件STAR-CCM+和噪聲分析軟件LMS virtual lab，對比分析仿真噪聲與整車噪聲測試結(jié)果，確定降噪方案，進(jìn)行優(yōu)化前、后仿真噪聲及整車噪聲測試對比。

1 仿真分析

1.1 仿真分析流程

風(fēng)扇氣動噪聲仿真分析包含基于STAR-CCM+發(fā)動機(jī)艙流場仿真、基于LMS virtual lab風(fēng)扇氣動噪聲仿真分析、基于LMS test lab測試數(shù)據(jù)處理3部分，仿真分析流程如圖1所示。

1.2 三維模型

風(fēng)扇氣動噪聲仿真分析的三維模型包括發(fā)動機(jī)艙、發(fā)動機(jī)、風(fēng)扇、護(hù)風(fēng)罩，該發(fā)動機(jī)艙的長、寬、高分別為2.2、1.2、1.2 m，以風(fēng)扇中心線與輪轂后安裝面交點(diǎn)為原點(diǎn)O，風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)方向為z+，豎直向上為y+，按照右手定則判斷x+方向，將模型以.stp格式導(dǎo)入Hypermesh后，對模型表面進(jìn)行網(wǎng)格劃分，面網(wǎng)格均為三角形網(wǎng)格，并保留各風(fēng)扇葉片邊緣三維特征，簡化處理輪轂和發(fā)動機(jī)通過連接盤相連部分，網(wǎng)格劃分后的風(fēng)扇氣動噪聲仿真分析的三維模型如圖2所示。

對發(fā)動機(jī)艙設(shè)置流場分析風(fēng)洞，小風(fēng)洞的長、寬、高分別為2.5、1.5、1.5 m，大風(fēng)洞按照約發(fā)動機(jī)艙的5倍建立，長、寬、高均為6.0 m，風(fēng)洞結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。

1.3 CFD仿真

采用STAR-CCM+軟件建立發(fā)動機(jī)艙的三維CFD仿真模型，并對穩(wěn)態(tài)流場與瞬態(tài)流場設(shè)置對應(yīng)的模型參數(shù)。CFD計算的邊界條件主要有：入口設(shè)置為速度，初始化設(shè)置為0；出口設(shè)置為壓力，初始化設(shè)置為0。計算穩(wěn)態(tài)流場與瞬態(tài)流場時，要求模型參數(shù)均為全y+壁面處理、精確壁面距離、分離流體溫度、理想氣體、梯度、分離流、湍流、三維。穩(wěn)態(tài)流場計算時設(shè)置模型為：k-ε湍流模型、Navier-Stokes equation、定常，其中，k-ε模型適合模擬完全湍流的流動過程，Navier-Stokes equation是描述黏性不可壓縮流體動量守恒的運(yùn)動方程。瞬態(tài)流場計算時設(shè)置模型為：FW-H非穩(wěn)態(tài)模型、氣動聲學(xué)、SST k-ω分離渦、分離渦模擬、隱式不定常，其中，F(xiàn)W-H非穩(wěn)態(tài)模型采用氣動聲學(xué)計算方程，將表面負(fù)載脈動轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)偶極子，適用于扇聲源分析；SST k-ω分離渦模型引入湍流黏度限制，使模型應(yīng)用更廣泛[5-6]。

基于STAR-CCM+發(fā)動機(jī)艙流場仿真分析風(fēng)扇噪聲時，采用多參考系，計算風(fēng)扇直徑為485 mm，葉片數(shù)為10，最高轉(zhuǎn)速為1 975 r/min的穩(wěn)態(tài)流場，為瞬態(tài)計算提供初始流場；采用滑移網(wǎng)格進(jìn)行瞬態(tài)流場計算，控制時間步長為1 ms，得到多個周期的變化后結(jié)束。仿真計算的發(fā)動機(jī)艙穩(wěn)態(tài)流場、瞬態(tài)流場如圖4所示。瞬態(tài)流場不同時刻的壓力云圖如圖5所示。

由圖5可知：瞬態(tài)流場計算穩(wěn)定后，葉片正壓區(qū)域出現(xiàn)負(fù)壓渦，隨著扇葉旋轉(zhuǎn)，負(fù)壓渦向葉尖處移動，形成葉尖回流，在第0.319秒，葉片正壓面形成下一個負(fù)壓渦，周而復(fù)始，影響葉片壓力脈動。風(fēng)扇葉尖位置區(qū)域如圖6所示。放大風(fēng)扇葉尖位置區(qū)域，不同時刻的速度矢量云圖如圖7所示。由圖7可知：隨著時間推移，葉片周而復(fù)始旋轉(zhuǎn)，葉尖處速度渦流回流現(xiàn)象明顯。

1.4 氣動噪聲仿真

假設(shè)在低馬赫數(shù)下，不考慮雙向流體與雙向聲學(xué)的相互作用，且接收者不在聲源區(qū)域內(nèi)，由Lighthill聲學(xué)類比線性聲學(xué)相關(guān)公式，可將近場的變量（如壓力、速度、密度）轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的聲壓級[7]。由于不同類型的流場數(shù)據(jù)均可轉(zhuǎn)換為等效聲源，從CFD流場中提取相應(yīng)的氣動聲源，采用邊界元技術(shù)計算輻射噪聲場，基于聲比擬理論進(jìn)行流體聲學(xué)建模，預(yù)測氣動噪聲。

由于氣體內(nèi)部的脈動質(zhì)量源（單極子噪聲源）、作用力的空間梯度（偶極子噪聲源）和應(yīng)力張量（四極子噪聲源）的變化，氣流流過固體表面引起氣流壓力擾動，產(chǎn)生氣動噪聲[8-9]。根據(jù)Curle理論，邊界壓力脈動轉(zhuǎn)化為偶極子聲源，在低馬赫數(shù)下，偶極子聲源是最主要的輻射聲源[10]；根據(jù)FW-H理論，扇聲源葉片負(fù)載脈動轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)偶極子聲源，可準(zhǔn)確計算旋轉(zhuǎn)機(jī)械的BPF頻譜[11]；根據(jù)Lighthill理論，流場壓力脈動轉(zhuǎn)化為四極子聲源，為結(jié)構(gòu)邊界不存在時的主要聲源（如自由射流）[12]。

基于聲比擬理論，將STAR-CCM+軟件仿真分析瞬態(tài)流場壓力以cgns文件導(dǎo)入LMS virtual lab，作為風(fēng)扇激勵源，進(jìn)行氣動噪聲仿真，扇聲源分區(qū)合成的風(fēng)扇葉片脈動壓力時域曲線（記為曲線1），與LMS test lab測試數(shù)據(jù)導(dǎo)入LMS virtual lab處理后的風(fēng)扇葉片脈動壓力時域曲線（記為曲線2）對比，2種風(fēng)扇葉片脈動壓力時域曲線如圖8所示。如圖8可知，曲線1、2整體變化趨勢一致，可將仿真曲線作為噪聲源進(jìn)行聲學(xué)預(yù)測。

2 整車測試驗證

按照文獻(xiàn)[13]的測試要求進(jìn)行整車10 m場靜置工況聲壓級（以A計權(quán)）測試，采用西門子Scadas Ⅲ噪聲振動分析儀及美國PCB公司的378B02麥克風(fēng)，測點(diǎn)分布在距離整車10 m的半球面，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為1 957 r/min，葉片數(shù)為10，整車噪聲測試與LMS test lab軟件仿真分析噪聲頻譜對比結(jié)果如圖9所示。

由圖9可知：整車噪聲測試與仿真噪聲曲線吻合度較好；整車噪聲測試與仿真分析噪聲聲壓級均方根（以A計權(quán)）分別為77.52、77.08 dB，二者相差0.44 dB，相對誤差為0.56%；根據(jù)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速及葉片數(shù)計算可得風(fēng)扇的離散階次噪聲一階、二階、三階頻率分別為326、652、978 Hz，仿真結(jié)果與測試結(jié)果吻合；整車測試噪聲頻率220 Hz低于風(fēng)扇一階頻率，該頻率噪聲主要由風(fēng)扇葉尖回流時寬頻渦流噪聲產(chǎn)生。

3 方案改進(jìn)及驗證

將風(fēng)扇護(hù)風(fēng)罩與風(fēng)扇葉尖間隙由15 mm調(diào)整為5 mm，改進(jìn)后風(fēng)扇護(hù)風(fēng)罩與風(fēng)扇葉尖間隙示意如圖10所示，其余參數(shù)均保持不變；由于風(fēng)扇渦流噪聲小于1 kHz，設(shè)置頻帶上限為1 kHz，以便全面觀察渦流噪聲改進(jìn)效果。

改進(jìn)前、后仿真分析噪聲頻譜及整車測試噪聲頻譜如圖11所示。由圖11可知：改進(jìn)后，仿真噪聲聲壓級均方根為67.97 dB，較改進(jìn)前降低了約9.00 dB；改進(jìn)后整車測試噪聲聲壓級均方根為73.45 dB，較改進(jìn)前降低了約4.00 dB。

改進(jìn)前、后噪聲頻譜分析如圖12所示。由圖12可知，改進(jìn)前、后220、326 Hz紅色亮帶明顯減弱，噪聲聲壓級顯著下降。

4 結(jié)束語

1）通過流體仿真捕捉風(fēng)扇葉片時域壓力脈動產(chǎn)生及變化過程，瞬態(tài)計算穩(wěn)定后，該葉片正壓區(qū)域出現(xiàn)負(fù)壓渦，隨著扇葉的旋轉(zhuǎn)，負(fù)壓渦向葉尖處移動，形成葉尖回流，影響葉片壓力脈動；隨著時間推移，該葉片旋轉(zhuǎn)至葉尖與護(hù)風(fēng)罩的間隙，葉尖處可見回流的速度渦流。

2）基于聲比擬理論，將STAR-CCM+軟件仿真分析瞬態(tài)流場壓力結(jié)果導(dǎo)入LMS virtual lab，計算得到的風(fēng)扇葉片時域脈動壓力曲線，與LMS test lab測試數(shù)據(jù)導(dǎo)入LMS virtual lab處理后的的風(fēng)扇葉片時域脈動壓力曲線對比，2種曲線比較吻合，變化趨勢一致。

3）仿真分析噪聲與整車噪聲測試結(jié)果的變化趨勢基本一致，且整車測試時，該風(fēng)扇葉尖回流產(chǎn)生的寬頻渦流噪聲較明顯。

4）將風(fēng)扇護(hù)風(fēng)罩與風(fēng)扇葉尖間隙由15 mm調(diào)整為5 mm，仿真計算聲壓級均方根降低了約9.00 dB，整車噪聲測試聲壓級均方根降低了約4.00 dB，有效降低了該風(fēng)扇寬頻渦流噪聲。

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Analysis of fan wide-band eddy aerodynamic noise and its noise reduction

ZHANG Xiaohui1，2， DING Baoan1，2， WANG Jingxin1，2，ZHANG Weilong1，2， LI Chao1，2， ZHAO Xuefei1，2

Abstract：In order to reduce the wide-frequency vortex aerodynamic noise of fan， based on the aerodynamic noise simulation flow and sound analogy theory， a three-dimensional model is established by using the fluid simulation software STAR-CCM+， and the time-domain fluctuating pressure of fan blade is calculated， compared with the time-domain fluctuating pressure synthesized by LMS virtual lab， the fan noise is simulated and verified by vehicle noise test. The clearance between the blade tip and the air shield of the fan is adjusted from 15 mm to 5 mm， and the results of the simulation calculation and the vehicle noise test before and after optimization are compared. The results show that the time-domain fluctuating pressure curves calculated by STAR-CCM+ software are in good agreement with those by LMS virtual lab compared with the results of LMS test lab software， the relative error of sound pressure level is 0.56% ， which is consistent with the test results of vehicle noise， the root mean square of noise pressure level of simulation calculation and vehicle test noise is reduced by about 9.00 dB and 4.00 dB respectively， and the noise is reduced effectively.

Keywords：fan;aerodynamic noise;pressure pulsation;narrowband BPF noise;broadband eddy current noise

（責(zé)任編輯：臧發(fā)業(yè)）

收稿日期：2023-03-05

基金項目：國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項目（2018YFB0106502）

第一作者簡介：張曉輝（1986—），男，山東濰坊人，工程師，工學(xué)碩士，主要研究方向為發(fā)動機(jī)NVH仿真及結(jié)構(gòu)可靠性，E-mail：zhangxiaohui02@weichai.com。