CFD專欄丨軸流風扇噪聲CFD仿真試驗對標
試驗裝置描述
試驗在德國埃爾朗根-紐倫堡大學的機械與系統工程研究所完成，測試規范依據ISO5801。
待測軸流風機安裝在導管內，驅動電機安裝在風扇下游。上游是一個內壁安裝了吸聲材料的風箱。風箱內部安裝了一個整流裝置確保風扇入口的風速和湍流強度保持均勻。通過風箱上游的管路內的蝶閥和輔助風機來控制不同的流量。
試驗裝置圖
軸流風扇尺寸
7個B&K麥克風，間隔30°均勻布置在風扇中心上游1米半徑的圓周面上。
噪聲測點布置
風扇性能參數
軸流風扇入口
為了消除測試過程的隨機誤差，信號處理分別從5~8秒，10~13秒等時間片段采樣。從7個麥克風位置的總聲壓級柱狀圖和平均聲壓級SPL曲線看，各個時間段采集的信號一致性較好。
7個麥克風位置采集的聲譜圖信號，表明噪聲信號采樣的一致性。
CFD仿真模型描述
CFD模型包含了風扇、風箱、導管和安裝支架。導入虛擬麥克風的空間坐標文件（紅點）。在風箱內壁面設置多孔介質區域，模擬聲學無反射壁面條件。
前處理工具Virtual Wind Tunnel
在前處理模塊中設置格子（Voxel）的逐層加密范圍。由于采用的是CAA計算方法，聲傳播和流場是同步計算，虛擬麥克風所在的空間位置的格子分辨率<12mm，滿足截斷頻率（mesh cut-off frequency ）的要求。虛擬風洞的來流風速為0，風扇從靜止狀態逐步達到額定轉速，風量保持和試驗一致。
CFD求解器ultraFluidX運行采用4塊NVidia A100 80G NVlink顯卡，可在2天內完成一個大模型瞬態工況的計算。
格子加密范圍
風扇模型局部視圖（從下游方向看過去）
仿真和試驗對標
CFD仿真準確的捕捉了軸流風扇的BPF及其諧波，整體SPL曲線的形態和試驗一致
噪聲的指向性趨勢和試驗一致
7個麥克風的平均聲壓級絕對值誤差約2.9dB
平均聲壓級曲線仿真和試驗的對比
7個麥克風總聲壓級仿真和試驗的對比
CFD結果分析
從渦量等值面圖可見導管和葉片頂端的間隙內存在很強的翼尖渦, 這是SPL曲線上335Hz和500Hz峰值噪聲(Tonal noise)的主要貢獻者。葉片的前緣存在非定常的壓力脈動，這是寬頻噪聲(broadband noise)的主要貢獻者。
雖然在風扇上游沒有擾動，來流均勻，但是觀察到導管圓弧形進氣口和輪轂近壁區的流動分離，擴展到下游并和葉片的轉動產生了擾動。
從風扇的上游看，流場基本是對稱的，渦量較強的區域主要集中在葉輪的外圍。
中心對稱截面的聲壓云圖，可見聲波在空間的傳播過程。（可在后處理中將時域的聲壓結果轉為頻域的dbMap觀察不同頻段的能量分布）
總結
低壓軸流風扇通常用于通風和冷卻系統，除了風量、風壓等氣動性能外，氣動噪聲也是很重要的指標。
試驗方法可以評估一款風扇的噪聲水平，通常采用麥克風的聲壓級對標仿真精度。由于噪聲和流場是密切相關的，工程師可以通過仿真方法深刻理解噪聲產生的機理并對比不同的降噪措施。
ultraFluidX是基于LBM（格子玻爾茲曼算法）的流體求解器，數值耗散低，求解器精度高，非常適合高度瞬態的流場和氣動噪聲的計算，并且完全基于GPU并行，具有極高的計算效率。
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