新型風扇氣動噪聲組合分析方法

Cruise

2023年9月5日 16:33

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引言

混合方法是一種常用的計算氣動聲學方法。該方法認為氣動聲源與流動的湍流相關，但聲場對流場沒有反作用。該方法本質上是一個兩步求解方案。第一步，使用URANS、LES或DES求解非定常流場。第二步，從CFD結果中提取聲源并求解聲音傳播。

軸流風扇產生的聲音具有兩個獨立且獨特的特征：線譜音調和寬頻帶。混合方法（使用Lighthill類比和對整個信號進行一次離散傅里葉變換）可以預測寬頻帶信號，但通常會得到不切實際的高波動噪聲結果。論文中提出了一種針對風扇噪聲問題的一種新的組合方法。與傳統的混合方法不同，該方法具有準確捕獲線譜音調噪聲并可獲得平滑的寬頻帶噪聲曲線的優點。

數值計算

首先進行非穩態CFD仿真進行。計算域由靜止場和包圍風扇的旋轉域組成，如下圖1所示。該模型捕捉了所有細節，例如風扇孔口、風扇護罩、線圈和百葉窗。在本研究中，線圈被建模為多孔區域，并應用滑動網格方法來計算Actran氣動聲學模擬所需的非定常CFD結果。旋轉域（風扇）的旋轉頻率為1118RPM。例子中的時間步長為0.0005s。此次模擬，0.8秒的總時間確保所求最小頻率遠小于37.2Hz（葉片通過頻率）。

圖1：旋轉域包圍風扇葉片，靜止域包含流動障礙物和多孔線圈

Lighthill聲類比有兩種源的計算方式，分別是在域的整個體積上和在源的表面上執行源的計算。如果采用前一種方法，源計算需要整個域上的CFD信息，但在后一種方法中，我們只需要在單個表面而不是體積上讀取速度信息（以及不可壓縮模擬情況下的密度），從文件管理的角度來看，這是一個很大的優勢。本研究中風扇作為唯一的主要聲源，為了加速CFD模擬僅導出包圍風扇的表面，即轉子-定子界面靜態側的CFD數據。CFD求解器采用480個核心的仿真時間接近40小時。最耗時的部分是在每個時間步下寫入數據這個步驟，這會減慢求解速度。

本例基于Actran2021.1，采用Lighthill面源方法，將聲源映射到聲學網格上，并完成時域氣動聲源轉成頻域的計算。這項研究的新穎之處在于這一步，其中采用兩個互補的離散傅里葉變換（DFT）設置來精確計算線譜音調和寬頻噪聲，同時避免了由于采樣時間有限而在高頻下出現不切實際的聲壓級波動：

① 對于葉片通過頻率(BPF)及其諧波引起的線譜音調噪聲，使用最小二乘法在整個采樣時間內定義并完成第一個DFT。該方法強制提取用戶設置的頻率。在本研究中，設置為從BPF開始并提取BPF高達1000Hz的每個諧波；

② 對于寬頻帶噪聲，時域數據樣本分解為多個較小的樣本（多重離散傅里葉變換），這些樣本彼此重疊50%，并對每個樣本應用Hanning窗以平滑每個子樣本之間的過渡。在本研究中，原始時域數據被分為78個重疊樣本，每個樣本的持續時間為0.02秒，正好對應50個CFD時間步長。子采樣持續時間為0.02s，最小頻率和頻率步長固定為50Hz。選擇這些參數是為了獲得不包含BPF或其諧波的頻率列表，因此僅提取寬頻帶噪聲的結果。此方法的缺點是沒有對CFD的全部結果進行利用。

通過上面的兩個步驟，便獲得了兩組氣動噪聲：

①一個DFT得到BPF及其諧波的噪聲。

②多重DFT方法得到的寬頻帶噪聲。使用兩組互補的結果，并使用腳本進行合并，就可以獲得組合氣動聲學仿真的總體頻率響應，如圖2所示。

圖2：音調和寬頻帶結果相結合以獲得模擬的頻率響應

結果分析

使用A計權法和Hanning窗，以25600[Hz]的采樣率和1[Hz]的頻率分辨率在多個位置記錄持續一分鐘的聲壓級。使用快速傅里葉變換來獲得頻域數據。本研究中的接收器距離設備56英寸，距離地面68英寸，如圖3。

圖3：接收器相對于裝置的放置示意圖

下圖給出了本研究的新的方法（New Method）、實驗測試和使用Lighthill類比的傳統混合方法（Hybrid Method）計算結果之間的對比。如下所示，新方法在解決寬頻帶噪聲方面更加成功，但它高估了較高頻率下線譜音調噪聲的貢獻量。

圖4：使用Lighthill類比的傳統混合方法（藍色）、新組合方法（紅色）與測試方法（綠色）的SPL比較圖

下表總結了三個數據集的聲壓級。混合方法低估了實際SPL測量值。混合方法頻譜中SPL值普遍較低。而新方法預測的寬頻帶信息與測試數據更為接近，較傳統混合方法有顯著改善。但在高于五次諧波的頻率后，該方法高估了BPF下的噪聲值(188[Hz])，這導致上表中報告的OASPL值更高。

查看完整原文請搜索：Ali Nikparto, Alexis Talbot, Asad Sardar, Clement Roy. Outdoor unit split fan noise prediction using a hybrid lighthill analogy method. NOISE-CON. 2022: 727-736.

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新型風扇氣動噪聲組合分析方法的圖7