Actran風機類旋轉機械噪聲分析方案

Cruise

2022年11月16日 10:19

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背景

近年來，風機類旋轉機械如散熱風扇、壓縮機、水泵、螺旋槳等設備的噪聲越來越受到人們的關注，噪聲指標慢慢成為風機類產品出廠的重要指標，時刻考驗著設計人員和分析人員敏感的神經。設計研發出低噪聲的風機類產品便可以成為市場上的一大賣點，如近年來空調研發企業的低噪音空調，某品牌低噪音榨汁機等等。

工業產品如機載設備在工作過程中由于通風、散熱的需要通常會配備風機裝置。風機設備運行過程中由于葉片的周期性轉動以及帶動附近空氣的流動會產生頻譜特定的噪聲源。風機噪聲源通過一定的傳遞路徑，如機箱、流道等傳到外部對環境噪聲形成重要貢獻。為了有效控制整機工作過程中的整體噪聲值，設計人員需要有目的性的對風機噪聲進行研究，主要包括對噪聲的預測以及對降噪手段的設計。

風機噪聲特點

按照風機的類型，主要可以分為兩大類：軸流風機以和離心風機。二者特點如下圖所示：

Actran風機類旋轉機械噪聲分析方案的圖2

軸流風機與離心風機特點

對于任何風機，其氣動噪聲頻譜主要有由兩類頻率內容構成，如下圖所示：

（1）葉片通過頻率噪聲 : 由于葉片的周期性轉動導致的在特定基頻與倍頻的離散噪聲。

該部分噪聲與葉輪的旋轉有關。特別在高速、低負荷情況下，這種噪聲尤為突出。離散噪聲是由于葉片周圍不對稱結構與葉片旋轉所形成的周向不均勻流場相互作用而產生的噪聲。一般認為有以下幾種：

-進風口前由于前導葉或金屬網罩存在而產生的進氣干涉噪聲；

-葉片在不光滑或不對稱機殼中產生的旋轉頻率噪聲；

-離心出風口由于蝸舌的存在或軸流式風機后導葉的存在而產生的出口干涉噪聲。

離散噪聲具有離散的頻譜特性，基頻噪聲最強，高次諧波依此遞減。

（2）寬頻渦流噪聲: 由湍流產生的寬頻噪聲，在整個頻率區間內無非常明顯的起伏。

寬頻渦流噪聲是由氣流流動時的各種分離渦流產生的，一般認為有 4 種成因：

-當具有一定的來流紊流度的氣流流向葉片時產生的來流紊流噪聲；

-氣流流經葉片表面由于脈動的紊流附面層產生的紊流邊界層噪聲；

-由于葉片表面紊流附面層在葉片尾緣脫落產生的脫體旋渦噪聲；

-軸流通風機由于凹面壓力大于凸面而在葉片頂端產生的由凹面流向凸面的二次流被主氣流帶走形成的頂渦流噪聲。

Actran風機類旋轉機械噪聲分析方案的圖3

風機的典型噪聲頻譜構成

風機噪聲傳播路徑

風機噪聲主要由上面章節提到的葉片通過頻率噪聲產生，通過空氣介質傳到周圍環境中。除此之外，風機的安裝環境會對風機噪聲產生影響：如反射、隔聲、吸聲作用等。若不考慮安裝環境，

風機的噪聲為直接噪聲；若安裝環境較為復雜則會對風機噪聲產生較大影響，我們稱此部分有安裝產生的噪聲為非直接噪聲。下圖列舉了不同風機類型的直接噪聲與非直接噪聲：

測量到的風機噪聲一般來源于兩類傳播路徑：

-直接噪聲（Direct noise） : 噪聲不受阻擋直接傳播的測點；

-非直接噪聲（Indirect noise） : 噪聲受到環境的反射，吸、隔聲后傳到測點。

Actran風機類旋轉機械噪聲分析方案的圖4

風機直接噪聲（紅色）與非直接噪聲（綠色）

Actran風機類旋轉機械噪聲分析方案的圖5

不同風機類型產生的非直接噪聲占比不同

對于包含機箱、流道的風機系統，一般屬于高非直接噪聲的系統，需要考慮：機箱對于風機噪聲的影響，包括機箱隔聲或內部的吸聲材料；流道內若產生速度較高的湍流會引起氣動噪聲，或稱二次噪聲。

基于聲學仿真技術的

風機類產品噪聲模擬技術

旋轉機械（風機）氣動噪聲仿真功能

Actran 氣動噪聲功能（Aero-Acoustics）一直受到廣泛認可，在風機類旋轉噪聲，車輛風噪聲，空調管路噪聲，船舶螺旋槳噪聲等方面都有大量應用。Actran 可以仿真旋轉域的氣動噪聲問題，包括風扇噪聲，壓縮機噪聲等問題。Actran 提供多種旋轉機械噪聲仿真方式：包括與 CFD 滑移網格計算結果聯合計算寬頻噪聲與葉片通過頻率噪聲；與 CFD 的 MRF 或 NLH 仿真結果聯合仿真葉片通過頻率噪聲；或者直接使用解析葉片噪聲源，而無需 CFD 結果即可模擬葉片噪聲。

Actran 與絕大多數 CFD 軟件具備良好接口，如可以直接導入 FLUENT、STAR-CCM+、SC/Flow、OpenFoam、AcuSolve 的結果文件，其他 CFD 軟件（如 CFX，PowerFlow 等）的結果文件可以通過Ensight Gold 或 CGNS 格式導入；軟件可以在計算域中定義任何邊界，模擬聲反射、聲透射、吸聲等現象，可實現對復雜的氣動-振動噪聲問題的綜合模擬，比如在算風機氣動噪聲的同時，可以計算得到風機殼體的振動結果。風機類產品的噪聲研究主要采用 CFD（Computational Fluid Dynamics）+CAA（Computational Aero-Acoustics）方法，其計算方法流程如下圖所示，主要技術優勢在于：

-預測方法：經過精確的驗證；

-效率：比單純使用 CFD 軟件進行聲學計算速度更快；

-與大多數 CFD 軟件有接口；

-遠場聲傳播：通過噪聲；

-與振動聲學耦合計算：殼體設計。

Actran風機類旋轉機械噪聲分析方案的圖6

CFD+CAA 氣動噪聲計算方法流程

具體分析步驟如下：

1) 建立 CFD 分析模型，提取非定常流場；

2) 建立 ACTRAN 聲學分析模型；

3) 利用 ACTRAN/iCFD 技術，將 CFD 基本量利用 lighthill 聲類比方法轉換為氣動噪聲源，并使用積分法插值入聲學網格；

4) 利用 ACTRAN/iCFD 技術對聲源進行傅里葉變換，將時域信號轉換為頻域信號；

5) 計算風扇引起的氣動噪聲聲傳播。

如下為通過 Actran 與 MSC CFD 軟件 Cradle 聯合仿真軸流風扇以及離心風扇的噪聲與實驗對比。

Actran風機類旋轉機械噪聲分析方案的圖7

軸流風機噪聲仿真結果

上圖中紅線為 MSC Cradle 與 MSC Actran 仿真結果曲線；藍線為實驗室環境下的實驗測試結果。仿真與實驗對比良好，尤其在 BPF 頻率處，吻合度較高，兩條曲線的趨勢性也吻合度較高；整體上僅在較高頻仿真結果低于背景噪聲結果時與實驗出現偏差。

Actran風機類旋轉機械噪聲分析方案的圖8

離心風機噪聲仿真結果

上圖中，淺藍線為 MSC Actra n 聲學仿真結果曲線；深藍線為實驗室環境下的實驗測試結果。可以看到仿真與實驗對比良好。

流道湍流氣動噪聲仿真功能

Actran Aero-Acoustics 精確考慮流場變化形成的復雜聲學邊界條件，既可以求解外聲場(機翼后緣噪聲，側鏡噪聲，起落架噪聲），也可以求解內部聲場（HVAC 內部噪聲，管道內流動噪聲）。Actran Aero-Acoustics 基于有限元與氣動聲類比的方式，讀取瞬態 CFD 仿真結果進行流致噪聲（氣動噪聲、水流）的仿真模擬。

Actran SGNR 模塊，即隨機噪聲產生和傳播方法。Actran SNGR 方法基于 RANS 的平均流和湍流能量等統計性的物理量，合成隨時間變化的速度場，從而可以從穩態 CFD 結果中提取氣動噪聲源，進行氣動聲場計算。這種方法具有耗費時間短，占用計算資源較小的特點。

Actran風機類旋轉機械噪聲分析方案的圖9

管道出風口噪聲仿真與實驗結果對比

上圖中，紅色實線為MSC Actran聲學仿真結果曲線；綠色實線為實驗室環境下的實驗測試結果。同樣，對于流道湍流氣動噪聲的計算，Actran 仿真與實驗對比良好。

風機在箱體內的安裝效應對噪聲的影響

風機的安裝環境對噪聲源產生較復雜的影響，一般可能包括以下若干類型（如下圖所示）：

-聲反射：殼體對噪聲的反射，一般不是針對噪聲的主動設計，可通過仿真進行評估預測；

-材料吸聲：吸音材料對噪聲的吸收一般在寬頻上。可通過仿真主動設計，如考慮厚度、重量與吸聲量的關系；

-消聲器：消聲器（抗性）對噪聲的吸收一般在特定的頻率上，可以通過仿真主動設計；

-組合降噪模組：消聲器 + 吸音材料 + 穿孔板結合在一起的具備阻性和抗性的降噪模組，可通過仿真主動設計。

Actran風機類旋轉機械噪聲分析方案的圖10

典型降噪手段

使用Actran可以仿真以上各類安裝效應對噪聲傳播的影響和作用，如下圖為消聲器的仿真計算結果。

Actran風機類旋轉機械噪聲分析方案的圖11

Actran 對消聲器噪聲性能仿真-聲壓分布圖

結論

風機作為通用機械在工農業生產及日常生活中具有廣泛的應用，提高其設計效率、降低其運行噪聲和振動具有很大現實意義。風機噪聲是其重要的質量指標，它即是考核產品對環境噪聲污染的量化指標，也可以反映風機類產品的設計和制造質量。同時，噪聲影響人們的工作學習和身體健康。

實際上，在中國城市區域環境噪聲標準中，已經于 2008 年 10 月 1 號國家環境保護部頒布實施了 3套新的強制性標準，對工業企業和居民生活環境噪聲的排放要求做了嚴格的規定。此處僅列舉標注名稱：GB3096-2008- 《聲環境質量標準》、GB12348-2008- 《工業企業廠界環境噪聲排放標準》、GB22337-2008-《社會生活環境噪聲排放標準》；而在特殊工作環境和軍用領域，噪聲標準還要高。

所以各研發單位越來越重視對風機類旋轉機械類產品的噪聲研究，而 MSC Actran 已經成為主流的風機氣動噪聲數值仿真工具。

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Actran風機類旋轉機械噪聲分析方案的圖12