基于Actran的空調管道類氣動噪聲計算及應用
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1引言
汽車空調管路在設計時需要評估以下性能指標：
（1）空調管路的壓力損失，氣流的分離程度；
（2）空調管路流入乘員艙的流體流動的方向性和均勻性；
（3）空調系統產生的噪聲大小。
同時，空調管路的設計和開發過程中也需要考慮某些限制和制約，包括外形限制、空間限制及注塑加工工藝限制等。
隨著汽車整體振動和噪聲的不斷降低，管路內湍流導致的空氣噪聲逐漸成為汽車的主要噪聲源，因此，研究空調管路噪聲對于汽車減振降噪有重要意義。此外，國內外汽車OEM廠商也通過試驗測量確定了各個子系統的噪聲標準[1]。圖1給出了汽車空調系統的噪聲測量。
圖1 管路系統及儀表板系統的噪聲測量
噪聲的測量是在半無限的消聲室內完成的，試驗過程中，正常開啟空調系統，在測試件對面的特定距離（該位置距離儀表板的距離與乘客耳朵距離儀表板的距離相同）放置麥克風，用來記錄在該位置的噪聲大小。為減小試驗的測量誤差，放置了多個麥克風進行同時測量。圖2給出了試驗的測量結果，其中黑色曲線是各監測點實驗測量值，藍色曲線是目標值。
圖2 儀表板系統噪聲測量結果
CAE技術的應用是汽車噪聲和振動方面研究和應用的重要領域，同時，數值技術在汽車設計方面的應用可大大的降低汽車的研發成本。汽車在研發的過程中，可根據CAE的計算結果對進行分析和判斷，并改進原始的設計方案。目前，在空調系統的研發過程中，CFD（計算流體動力學）已經成為設計過程中的一個基礎部分，隨著數值技術和計算機硬件水平的提高，CAA（計算氣動噪聲）技術必將成為汽車空調設計過程中不可或缺的工具。
2Actran與CFD聯合求解氣動噪聲流程
Actran是專業計算聲學軟件，在氣動噪聲求解方法中，Actran基于Lighthill聲類比或M?hring聲類比方法來提取聲源，并可以計算復雜環境下（吸聲材料、隔聲罩、格柵等）的聲傳播。計算方法相關介紹資料請參考《基于Cradle和Actran聯合仿真的氣動噪聲精確預測》。
Actran與CFD聯合求解氣動噪聲計算流程如下所示。
圖3. Actran與CFD聯合求解氣動噪聲計算流程
簡言之，大家可以采用常見的CFD軟件（如Cradle、Fluent、Star ccm+、CFX、Powerflow等），求解流場中的脈動項，輸出瞬態計算得到的速度、壓力和密度（低馬赫數，可壓縮氣體）；然后采用Actran軟件建立聲學求解模型，同時轉換流場中的脈動項，把上述脈動項轉化為氣動聲源，最后求解復雜工況下的聲傳播，并采用Actran做后處理。下面章節介紹幾篇已發表的Actran軟件求解汽車空調管道噪聲的文章。
3Actran與CFD聯合求解汽車管道噪聲案例
3.1 汽車空調管路及格柵氣動噪聲預測
本文由偉世通與FFT合作發表于2010年NOISE-CON會議，詳情見附件[1]。計算過程中，CFD部分采用Fluent軟件，采用LES湍流模型求解管路瞬態流動特征，網格采用多面體生成技術，網格數為652,000，見下圖。
圖4. CFD計算域、網格及速度分布
聲學部分采用FFT公司Actran軟件來完成，按每個波長8個線性網格來處理，波長根據最大頻率3000Hz來計算。聲學模型分成三個區域：聲源區、聲傳播區和無限元區，自由度為450000。
圖5. Actran管道計算模型
實驗驗證時如下圖所示，共4個麥克風，監測點距離出風口0.9m，距離地面1m。
圖6. 空調管道噪聲測試實驗
計算得到的管路聲源分布圖如下所示：
圖7. 不同頻率下聲源分布云圖（應力張量）
求解氣動聲源在管道內的聲傳播，得到的聲壓級分布云圖如下所示：
圖8. 不同頻率下聲傳播分布云圖（聲壓級dB）
最終得到的聲壓曲線與實驗對比如下所示。
圖9.實驗與仿真對比曲線（2號和4號麥克風，聲壓級dB）
由上圖對比曲線可以看出，考慮到多次實驗測得數據呈現區間性，而Actran計算得到的頻譜曲線在整個頻段上與實驗結果吻合度較高，尤其可以明顯捕捉對應的特征頻率。原文描述為：四個麥克風處的仿真結果與實驗結果吻合度均較高，表明該方法可以精確預測工業上管道氣動噪聲。
3.2 不同風管的氣動噪聲預測
本文發表于AERO-ACOUSTICS會議，詳情見附件[2]。操作流程與3.1章節文章流程類似，計算過程中，CFD部分采用Fluent軟件，采用LES湍流模型求解管路瞬態流動特征，網格采用六面體生成技術，兩個模型（帶格柵管道和不帶格柵管道）網格數分別為3,200,000和3,900,000，見下圖。
圖10. 帶格柵管道和不帶格柵管道網格
進口邊界為，速度進口，流速為20m/s；出口邊界為相對壓力出口，相對壓力為0，參考大氣壓為10325Pa；其他邊界為無滑移速度邊界，即定義為WALL。
瞬態計算前，先求解穩態流場，采用RANS湍流模型，目的為為瞬態計算提供初始流場，便于瞬態迭代；同時便于查看網格質量及需要加密的區域。瞬態計算中，時間步長為1e-4s，這個是由聲學計算的頻率范圍決定的，為了便于捕捉低頻特性，流體需要保存至少0.1s物理時間。
圖11. 不帶格柵速度（左）和壓力（右）分布圖
圖12. 帶格柵速度（左）和壓力（右）分布圖
聲學計算采用Actran軟件，分析頻率為3000Hz，按每個波長4個二階單元來表示，最大的網格邊長不能超過28mm。計算模型如下圖所示。模型包括聲源區、聲傳播區和無反射區。
圖13. 聲學計算模型
圖14. 260Hz和1550Hz聲源分布云圖
下圖為聲功率和聲壓級對比曲線，其中黑色虛線為帶格柵管道，藍色實線為無格柵管道。
圖15. 聲功率和聲壓級對比曲線
從聲壓級曲線來看，帶格柵的管道在整個頻帶上聲壓級均大于無格柵管道，無格柵管道在當前流速下，2000Hz以上甚至出現負的聲壓級，即高頻聲壓小于參考聲壓，聲壓值較小。
圖16. 距管道出口1m處測點在260Hz和1550Hz的指向性曲線
上圖為指向性曲線，即Actran可以快速便捷的查看聲音傳播的方向性，并根據不同指向性來查看特殊頻率處聲壓級分布云圖。
偉世通另外一款管路開發過程中，同樣采用CFD + Actran的技術路線進行分析，其中物理模型及CFD模型如下所示。
圖17. 幾何模型及CFD邊界條件
CFD設置與常用設置致，采用速度進口，壓力出口。為了模擬管道出口處湍流發展，特意加裝喇叭口形狀擴張段，后續聲學計算時，在此基礎上取其中一部分作為聲源區即可。
圖18. CFD網格及速度分布云圖
圖中，上圖為多面體網格，可以使CFD整體網格數少很多（與四面體相比），CFD計算效率更高。下圖為速度分布云圖，其中左圖是穩態CFD速度分布云圖，而右圖是瞬態CFD分布云圖。
圖19. 聲壓級分布云圖與對比曲線
從上面曲線可以看出，實驗與仿真吻合度較高。原文中對于傅里葉變換時的窗函數也有所介紹，Actran中包含多種窗函數供大家選擇，這樣可以保持實驗數據處理和仿真數據處理的一致性，上述對比曲線采用的是Hanning窗函數，也是平時較為常用的一種窗函數。
3.3 帶擋板的空調彎管噪聲分析與驗證
本文由德國汽車氣動噪聲聯合會（GAC）與FFT合作，發表于第15屆AIAA氣動噪聲會議，詳情見附件[3]，該文章有較詳細理論介紹，大家可翻閱。
圖20. 管路噪聲測量實驗（全消聲室）
計算過程中，CFD部分采用Star-CD軟件，采用DES湍流模型求解管路瞬態流動特征，管道全長3m，網格采用正交笛卡爾網格，網格數為2,400,000。進口邊界為，速度進口，流速為7.5m/s；出口邊界為相對壓力出口，相對壓力為0，參考大氣壓為10325Pa；其他邊界為無滑移速度邊界，即定義為WALL。
瞬態計算前，先求解穩態流場，采用RANS湍流模型，目的為瞬態計算提供初始流場，便于瞬態迭代；同時便于查看網格質量及需要加密的區域。瞬態計算中，時間步長為8e-5s，這個是由聲學計算的頻率范圍決定的；保留時長為1s，從仿真的第8秒到第9秒之間。
圖21.PIV實驗與Star-CD仿真結果
圖22. 壁面脈動壓力實驗與仿真的對比曲線
上圖中，藍色實線和黑色實線來自另一篇文獻，紅色實線是Star-CD計算結果。較好的CFD計算結果是后續聲學計算的必要保證。
圖23. 聲學網格劃分
聲學計算采用Actran軟件，分析頻率為1000Hz，按每個波長4個二階四面體單元來表示，網格數為240,000。
圖24. 不同頻率聲壓級分布云圖（左）及聲源分布云圖（右）
圖25. 實驗與仿真對比曲線（1）
上圖中，綠色陰影部分為監測點附近多個測點的測量數據形成的數據區間；綠色實線為測量數據平均值；藍色實線為Actran計算的測點附近多個點的平均值。從上圖曲線可知，50Hz~1000hz內曲線吻合較好，1000Hz以上仿真數值耗散較大，結果不可信；分析有兩方面原因：1.聲學網格按1000hz得到，不符合2000Hz計算要求；2.CFD計算時截止頻率也是大約到1000Hz，這是由CFD計算中網格尺度和湍動能耗散率決定。
下圖為優化CFD網格和聲學網格后的計算結果，CFD網格加密后，計算效率變低，故CFD取0.1s物理時間。
圖26. 實驗與仿真對比曲線（2）
從上圖可知，CFD網格和聲學網格加密后，高頻計算結果較之前好很多，數值耗散較小；但低頻吻合度較之前差很多，尤其200Hz以下，分析原因為CFD保存時間由以前的1s減為0.1s，導致低頻數據捕捉效果不好，出現較大波動。
4總結
目前Actran的氣動噪聲計算功能已被廣泛認可和應用，除了上文提到的文章，與汽車管道氣動噪聲相關應用的文獻還有很多，如[4]、[5]，請參考。
目前Actran廣泛應用于國內外主機廠和知名零配件廠商，與氣動噪聲相關的應用場景包括風噪聲、空調管路氣動噪聲、空調壓縮機氣動噪聲、排氣管路再生噪聲、增壓器氣動噪聲等，近期頒布的Actran_18.0版本在六面體網格自動生成、自適應頻段快速求解、SNGR快速計算等方面大大提升了氣動噪聲計算的效率，有需要了解和交流的朋友可以隨時聯系我們。
參考文獻：
[1]. Stéphane Détrya, et al. Aero-acousticPredictions of Industrial Dashboard HVAC Systems. NOISE-CON 2010. 2010.4 19-21
[2]. Arnaud Boland, Yves Detandt, et al. Noise prediction of climate ducts. AERO-ACOUSTICS.
[3].Stéphane Caro, etal. Validation of aNew Hybrid CAA strategy and Application to the Noise Generated by a Flap in SimplifiedHVAC Duct. 15th AIAA/CEAS Aeroacoustics Conference, 2009.5.11-13.
[4]. Julien Manera, Yves Detandt, Diegod’Udekem. Aero-Acoustic predictions of automotive instrument panel ducts. SAEInternational. 2009-01-2237.
[5]. Simone Vizzini. Exhaust flow noisesimulation in the Automotive field. FFT Acoustic Simulation conference 2016.Actran Users’ Meeting
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