設(shè)計(jì)仿真 | 箱式風(fēng)扇噪音的數(shù)值預(yù)測(cè)

風(fēng)扇在電子設(shè)備中廣泛應(yīng)用，主要用于散熱。為了降低成本，人們不斷縮小風(fēng)扇直徑和提高轉(zhuǎn)速，導(dǎo)致噪音水平上升。為了選擇合適的設(shè)計(jì)，需要精確而經(jīng)濟(jì)的仿真工具。除了在自由空間或風(fēng)洞試驗(yàn)條件外，風(fēng)扇在產(chǎn)品安裝條件下使用，因此需要對(duì)聲場(chǎng)進(jìn)行精確預(yù)測(cè)。本文介紹了發(fā)表于Inter-Noise 2023的“Numerical prediction of noise generated from a box fan”論文的相關(guān)內(nèi)容。

◆ 測(cè)試方法與計(jì)算參數(shù)

論文提到兩種風(fēng)扇噪聲聲場(chǎng)的預(yù)測(cè)方法：一種是假設(shè)聲音在自由空間中傳播，結(jié)合CFD軟件進(jìn)行仿真；另一種是混合方法，從CFD軟件中提取聲源，通過聲學(xué)求解器進(jìn)行傳播。本次試驗(yàn)使用CFD軟件中的scFLOW軟件進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)計(jì)算，預(yù)測(cè)自由空間聲場(chǎng)中的聲壓。我們還使用Actran軟件計(jì)算聲壓級(jí)。兩款軟件均由海克斯康工業(yè)軟件開發(fā)，具有良好的數(shù)據(jù)交互性。

scFLOW是一款全面的CFD軟件，基于有限體積法（FVM），適用于任意多面體網(wǎng)格。本研究使用不可壓縮非穩(wěn)態(tài)壓力求解器和LES的WALE模型，并采用精細(xì)網(wǎng)格。時(shí)間間隔為360°/4096，即一圈分為4096步。RANS計(jì)算結(jié)果作為L(zhǎng)ES仿真的初始條件。計(jì)算了25個(gè)循環(huán)，前5圈達(dá)到穩(wěn)態(tài)，后20圈用于評(píng)估。入口和出口條件分別為總壓和流速。scFLOW具有FW-H聲壓預(yù)測(cè)功能，加密了護(hù)罩側(cè)壁周圍的網(wǎng)格以捕捉渦流軌跡。

商業(yè)軟件Actran基于有限元法（FEM）計(jì)算遠(yuǎn)場(chǎng)傳播到相關(guān)聲源的情況，進(jìn)行計(jì)算。該求解器能考慮安裝效應(yīng)和平均流引起的對(duì)流效應(yīng)。偶極子聲源主導(dǎo)小風(fēng)扇情況，由旋轉(zhuǎn)葉片的載荷產(chǎn)生，用聲學(xué)域中嵌入的固定偶極子環(huán)進(jìn)行仿真。完成力映射和傅立葉變換后，得到頻域中的偶極子。在聲學(xué)仿真中，設(shè)置不包括旋轉(zhuǎn)葉片，用靜態(tài)偶極子代替。遠(yuǎn)場(chǎng)中，包圍域表面非反射，保留必要信息。支桿和套管表面對(duì)聲波傳播完全剛性。求解器提供聲學(xué)信息，如聲功率或聲學(xué)云圖。

與FW-H仿真相同，偶極子源由CFD仿真的最后20個(gè)風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)計(jì)算得出。信號(hào)源按三個(gè)時(shí)間間隔排列，每個(gè)間隔對(duì)應(yīng)10圈（0.2s）。通過兩款軟件的計(jì)算，我們比較了壓升結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可視化了流場(chǎng)。我們還比較了FW-H法和偶極環(huán)法預(yù)測(cè)的聲壓級(jí)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果。討論了兩種方法的結(jié)果的差異，以及產(chǎn)生不同聲學(xué)特性的原因。

◆ 計(jì)算結(jié)果

圖1 風(fēng)扇性能特性

論文中對(duì)通過scflow分析對(duì)風(fēng)扇性能與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，如圖1所示，從對(duì)比中可知，風(fēng)扇性能預(yù)測(cè)的非常準(zhǔn)確。

基線風(fēng)扇在低流速范圍內(nèi)性能不佳，而高負(fù)荷風(fēng)扇在此范圍內(nèi)表現(xiàn)良好。高負(fù)荷風(fēng)扇通過將失速點(diǎn)轉(zhuǎn)移到較低流量側(cè)，實(shí)現(xiàn)了更高的壓升和更寬的運(yùn)行范圍。數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符，表明流場(chǎng)得到了良好再現(xiàn)。

圖2 利用Q標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)渦流可視化

渦流結(jié)構(gòu)主要出現(xiàn)在壁面附近以及葉尖和側(cè)壁周圍。對(duì)于高流速的兩臺(tái)風(fēng)機(jī)，葉尖渦流逐漸增大并在下一個(gè)葉片下平穩(wěn)流動(dòng)。中等流速時(shí)，兩種風(fēng)機(jī)在流動(dòng)特性上存在差異?；鶞?zhǔn)風(fēng)機(jī)尖端渦流與下一個(gè)葉片前緣相互作用，增加不穩(wěn)定性；而高負(fù)荷風(fēng)機(jī)無明顯相互作用。在低流量時(shí)，兩個(gè)風(fēng)扇上的氣流完全停滯。

圖3 FW-H方法和偶極環(huán)方法在監(jiān)測(cè)點(diǎn)的聲壓譜與實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值結(jié)果的比較

對(duì)于聲壓，我們比較了FW-H方法和偶極環(huán)法的預(yù)測(cè)結(jié)果，如圖3所示。上圖中FW-H為scflow的計(jì)算結(jié)果，Ring dipoles為Actran相結(jié)合的偶極環(huán)法計(jì)算結(jié)果。偶極環(huán)法更接近實(shí)驗(yàn)結(jié)果，尤其在低頻部分，這可能是由于FW-H假設(shè)聲音在自由空間傳播，而偶極環(huán)法的Actran更接近實(shí)際裝置。實(shí)驗(yàn)表明，在第一個(gè)葉片通過頻率(BPF)為250Hz時(shí)，會(huì)出現(xiàn)較強(qiáng)峰值，尤其是高流速φ=0.22時(shí)。但兩種方法都無法預(yù)測(cè)這些峰值。

圖4 輻射聲壓與流速相關(guān)性的比較；在實(shí)驗(yàn)中觀察到的監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的聲壓水平和通過偶極環(huán)方法預(yù)測(cè)的輻射功率

我們還比較了輻射聲壓與流速的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與偶極環(huán)法預(yù)測(cè)的輻射功率一致。對(duì)于基線風(fēng)扇，中等流量與低流量聲壓級(jí)相同；對(duì)于高負(fù)荷風(fēng)扇，中等流量比低流量更安靜。偶極環(huán)法成功捕捉到這種差異。對(duì)于高流量風(fēng)機(jī)，觀測(cè)點(diǎn)無法通過數(shù)值預(yù)測(cè)第一個(gè)BPF峰值，但輻射聲功率可觀測(cè)到這些峰值。這可能與外墻干擾或反射有關(guān)。

眾所周知，壁面壓力與聲音產(chǎn)生相關(guān)。FW-H中聲壓由壁面壓力獲得，偶極環(huán)法中聲壓由葉片上流體力計(jì)算得出。在低流速和中流速下，壓力波動(dòng)較大，葉片前緣附近尤為明顯。這是由于葉片尖端與渦流間的相互作用。而高流量和中等流量φ=0.16的風(fēng)機(jī)未觀察到強(qiáng)烈壓力波動(dòng)，噪聲水平降低。

◆ 結(jié)論

綜上所示，我們提出了兩種預(yù)測(cè)箱式風(fēng)機(jī)噪聲的方法：一種是FW-H方法，通過CFD軟件仿真流動(dòng)和聲學(xué)；另一種是偶極子環(huán)法，是CFD和聲學(xué)軟件的相結(jié)合的方法。這些方法已在兩種不同葉片配置的小型箱式風(fēng)機(jī)上驗(yàn)證。我們還計(jì)算了風(fēng)機(jī)的三個(gè)流量系數(shù)，并使用細(xì)網(wǎng)格LES求解非穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)。

數(shù)值結(jié)果表明，壓升性能與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。兩臺(tái)風(fēng)機(jī)有不同的失速點(diǎn)，計(jì)算結(jié)果也預(yù)測(cè)了這一點(diǎn)。比較實(shí)驗(yàn)結(jié)果與FW-H法和偶極環(huán)法預(yù)測(cè)的聲壓級(jí)，發(fā)現(xiàn)偶極環(huán)法的結(jié)果更接近實(shí)驗(yàn)結(jié)果，尤其是在低頻范圍。偶極環(huán)法可定性地捕捉到實(shí)驗(yàn)中輻射聲壓與流速的關(guān)系。最后，我們討論了不同葉片結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同聲音特性的原因。在基線風(fēng)扇的中等流速下，葉尖與渦流的相互作用導(dǎo)致機(jī)翼前緣附近產(chǎn)生強(qiáng)烈的壓力波動(dòng)和噪聲。