風機作為廣泛應用于工業(yè)、建筑、農(nóng)業(yè)等領域的機械設備，其運行產(chǎn)生的噪聲問題日益受到關注。風機噪聲不僅影響周邊環(huán)境的舒適度，還可能對人們的身心健康造成不利影響。因此，對風機氣動噪聲進行有效求解與治理顯得尤為重要。

    本文將從風機原理、風機噪聲介紹、風機噪聲仿真方法三個方面進行詳細闡述，并輔以圖文并茂的說明；同時為您推薦一場干貨直播課程“風機氣動噪聲求解方案”，感興趣上方掃碼預約或文末預約。

風機原理介紹

    風機是依靠輸入的機械能，提高氣體壓力并引導氣體流動的機械。根據(jù)氣流進入葉輪后的流動方向不同，風機主要分為軸流式風機、離心式風機和斜流（混流）式風機。

1. 離心式風機

    離心式風機利用高速旋轉的葉輪將氣體加速，然后通過擴壓器使動能轉換成壓力能。在單級離心風機中，氣體從軸向進入葉輪，經(jīng)過葉輪時改變成徑向，進入擴壓器后減速并轉換為壓力能。多級離心風機則通過回流器使氣流進入下一葉輪，產(chǎn)生更高壓力。

2. 軸流式風機

    軸流式風機中，氣流軸向進入葉輪，在旋轉葉片的流道中沿著軸線方向流動。葉輪旋轉時，氣體受到葉片推擠，能量升高后流入導葉，導葉將偏轉氣流變?yōu)檩S向流動，并導入擴壓管，進一步將氣體動能轉換為壓力能。

3. 斜流（混流）式風機

    斜流式風機結合了軸流式和離心式風機的特點，其工作原理與軸流式風機類似，但葉片角度更為傾斜，使得氣流在葉輪中既受到軸向推擠又受到徑向加速，壓力系數(shù)較高，流量系數(shù)也較大。

    風機氣動性能，主要通過兩個曲線描述：P-Q曲線和效率曲線。P-Q曲線直接決定了風扇的適用條件，效率曲線決定了風扇的使用成本。

P-Q曲線

    P-Q曲線描述了風扇靜壓和流量之間的關系，是風扇最重要的特性曲線。風扇靜壓是風扇的出口靜壓和入口總壓之間的差值，流量為通過風扇的體積流量。 P-Q曲線呈單調(diào)遞減形式，即風扇靜壓會隨著流量的增加而減少。

效率曲線

    效率曲線描述了風扇氣動效率和流量之間的關系。風扇效率計算公式為：

其中，Q 為體積流量，

Ps為風扇靜壓，

Pi為風扇輸入功率。

效率曲線為山峰狀，即中等流量工況下風扇效率較高，小流量和大流量的效率較低。

在 0 流量和最大流量兩個極端工況下，其效率為 0。

風機噪聲介紹

    風機噪聲主要由旋轉部件的機械噪聲、高速運轉的振動噪聲和氣流變化產(chǎn)生的氣動噪聲組成。其中，氣動噪聲是風機噪聲的主要來源，包括葉片通過頻率噪聲和寬帶噪聲。

1. 葉片通過頻率噪聲

    葉片通過頻率噪聲是由于葉片周期性轉動，在特定基頻與倍頻上產(chǎn)生的噪音。這種噪聲具有明顯的周期性特征，頻率與葉片轉速和葉片數(shù)相關。

2. 寬帶噪聲

    寬帶噪聲由氣流在葉片表面形成湍流后分離時發(fā)出，其頻譜在整個頻率區(qū)間內(nèi)無明顯起伏，呈現(xiàn)出寬頻帶特性。寬帶噪聲主要由湍流邊界層或葉片上的分離引起。

噪聲仿真方法

• 聲音產(chǎn)生的主要機制可歸類為：

?渦流脫落噪聲

• 從流體中的鈍體釋放的渦旋，因渦流脫落引起的體上的時間變化循環(huán)會在體本身上產(chǎn)生波動力，該波動力將傳遞到流體并作為聲音傳播。

?湍流結構相互作用噪聲

• 碰撞在固體表面上的渦旋結構產(chǎn)生局部壓力波動。

?尾緣噪聲

因邊界層不穩(wěn)定性與表面邊的相互作用產(chǎn)生噪聲，例如旋轉葉片上的流動產(chǎn)生的噪聲。

使用計算的方法對噪聲產(chǎn)生進行建模時，必須捕捉與聲學分析相關的噪聲源和頻率，噪聲源的分辨率取決于湍流建模的保真度，在噪聲的模擬中主要有以下方法。

1.寬帶噪聲源模型

    在近場噪聲預測中，寬帶噪聲源模型用于計算主要噪聲源的位置和強度。在頻率域中，寬帶噪聲具有連續(xù)的頻譜，其中，聲能在給定范圍內(nèi)的所有頻率處連續(xù)分布。噪聲源包含偶極源的表面分布（Curle模型）和四極源的體積分布（Proudman模型）。

2.Ffowcs Williams-Hawkings（FW-H）氣動聲學模型

    FW-H氣動聲學模型是基于積分公式預測遠場聲學，該模型可計算遠場聲信號，這些信號由CFD求解得出的近場流場數(shù)據(jù)擴展得到，目的是預測每個接收器位置處的小振幅聲壓波動。FW-H聲學模型只用于預測自由空間中的聲音傳播，不包括聲音反射、折射或材料改性等效果。FW-H模型是將連續(xù)性方程和動量方程精確地重新整理為不均勻波方程形式，即使在積分表面位于非線性流體區(qū)域中的情況下，F(xiàn)W-H方程的結果同樣精確，其根據(jù)自由空間格林函數(shù)來計算接受器位置處的聲壓。

3.直接噪聲模擬

    直接噪聲模擬需要求解整個流場以進行全面的非穩(wěn)態(tài)模擬，要計算空氣動力生成的聲學特性，需要記錄點（探頭）或表面上隨時間變化的靜壓。直接噪聲模擬需要高數(shù)字分辨率來捕捉聲壓擾動的空間和瞬態(tài)效應，在后處理中，可使用傅里葉變換 (FT)進行光譜分析。直接噪聲模擬可以直接在CFD模型中預測靠近聲音產(chǎn)生源的噪聲級；但是，使用直接模擬來預測距離聲源有一段距離的噪聲成本高昂，此時建議使用FW-H氣動聲學模型。

風機噪聲仿真流程

    風機噪聲仿真的流程是一個系統(tǒng)而復雜的過程，它結合了計算流體動力學（CFD）和計算氣動聲學（CAA）的方法，以預測和分析風機在運行過程中產(chǎn)生的噪聲。

1、前期準備

1）明確仿真目標：確定仿真的具體目標，如降低特定頻率的噪聲、優(yōu)化風機結構以減少噪聲等。

2）收集風機數(shù)據(jù)：獲取風機的幾何尺寸、轉速、葉片數(shù)、材料屬性等基本信息。如果有實驗數(shù)據(jù)，如噪聲頻譜、聲壓級等，也應一并收集，以便后續(xù)驗證仿真結果。

2、幾何建模

1）創(chuàng)建幾何模型：使用CAD軟件或其他建模工具創(chuàng)建風機的幾何模型。確保模型的準確性和完整性，包括葉片形狀、輪轂、機殼等細節(jié)。

2）模型簡化：在保證仿真精度的前提下，對模型進行適當簡化，以減少計算量。例如，可以省略對噪聲影響較小的細小結構。

3、網(wǎng)格劃分

1）選擇網(wǎng)格類型：根據(jù)風機結構和仿真需求選擇合適的網(wǎng)格類型，如結構化網(wǎng)格、非結構化網(wǎng)格或混合網(wǎng)格。

2）劃分網(wǎng)格：將幾何模型劃分成小的網(wǎng)格單元，以便進行數(shù)值計算。在葉片表面和流動梯度較大的區(qū)域，應加密網(wǎng)格以提高計算精度。

3）網(wǎng)格質量檢查：檢查網(wǎng)格質量，確保沒有負體積、高歪斜度等問題，以保證仿真的穩(wěn)定性和準確性。

4、CFD仿真

1）設置邊界條件：根據(jù)實際情況設置入口風速、出口壓力、壁面條件等邊界條件。

2）選擇求解器：選擇合適的CFD求解器，如ANSYS Fluent、CFX、STAR-CCM+等，進行流場計算。

3)穩(wěn)態(tài)計算：首先進行穩(wěn)態(tài)計算，使流場達到穩(wěn)定狀態(tài)。這有助于快速評估風機的基本性能，并為后續(xù)瞬態(tài)計算提供初始條件。

4)瞬態(tài)計算：在穩(wěn)態(tài)計算的基礎上，進行瞬態(tài)計算以捕獲流場的動態(tài)特性。這通常涉及到使用大渦模擬（LES）等高級湍流模型來模擬瞬態(tài)流動。

5、CAA仿真

1)聲源識別：從CFD仿真結果中提取噪聲源信息，如葉片上的動態(tài)載荷、湍流邊界層等。

2)聲學模型構建：根據(jù)噪聲源信息構建聲學模型，包括聲源位置、聲傳播路徑等。

3)聲學計算：使用CAA求解器進行聲學計算，得到風機噪聲的聲壓分布、頻譜特性等。

6、結果分析與優(yōu)化

1)結果分析：分析仿真結果，包括聲壓級、頻譜特性、指向性等，與實驗數(shù)據(jù)或標準進行對比，評估仿真的準確性。

2)噪聲源識別：識別主要的噪聲源和傳播路徑，為優(yōu)化設計提供依據(jù)。

3)優(yōu)化設計：根據(jù)分析結果提出改進設計的建議，如改變?nèi)~片形狀、增加隔音材料、優(yōu)化機殼結構等。

風機氣動噪聲仿真案例

1.幾何與網(wǎng)格

    對離心式風機建立了選擇域和靜止域，采用多面體網(wǎng)格進行了網(wǎng)格劃分，由于氣動噪聲仿真需要捕捉細微的渦，因此要求網(wǎng)格細膩。

2.物理模型

    采用STAR-CCM+軟件，建立了分離渦模擬結合FW-H遠場聲學模型物理連續(xù)體，用以計算風機的噪聲。

    氣動聲學仿真的FW-H模型，即Ffowcs Williams-Hawkings模型，是一種廣泛應用于預測由湍流和任意運動表面產(chǎn)生的聲音的非齊次波動方程。該模型在氣動聲學領域具有重要的地位，特別是在處理風機、螺旋槳等旋轉機械的氣動噪聲問題時表現(xiàn)出色。

FW-H模型本質上是一個非齊次波動方程，它可以通過連續(xù)性方程和Navier-Stokes方程推導得到。這個模型將聲音的產(chǎn)生與傳播過程分開考慮，使得人們能夠分別處理流動求解和聲學分析。FW-H模型適用范圍廣：FW-H模型能夠預測由單極子、偶極子和四極子等等效聲源所產(chǎn)生的聲音，這些聲源廣泛存在于各種氣動噪聲問題中。計算精度高：通過求解FW-H方程，可以準確地計算出指定接收位置的聲壓或聲信號的時間歷程，從而得到噪聲的頻譜特性和聲壓分布等關鍵信息。靈活性強：在STAR-CCM+等仿真軟件中，F(xiàn)W-H模型可以與多種流體動力學模型（如URANS、LES等）相結合，以適用于不同流動特性的氣動噪聲問題。

3.應用步驟

    在STAR-CCM+仿真軟件中，使用FW-H模型進行氣動噪聲仿真的主要步驟包括：

1）生成時間精確的流動解：首先，需要求解流體動力學方程以獲取流場中的壓力、速度和密度等變量的時間精確解。這些解是后續(xù)計算聲壓信號的基礎。

2）指定聲源表面：在流場中選擇合適的表面作為聲源表面，這些表面上的流動變量將用于計算聲壓信號。

3）計算聲壓信號：利用FW-H方程和收集到的聲源數(shù)據(jù)，計算指定接收器位置處的聲壓信號。

4.結果分析

    圖是風機噪聲仿真計算的聲壓波動，對接收器接收的壓力波動進行傅里葉變換，可以得到聲壓與頻率的關系。

拓展學習（本周五直播-風機氣動噪聲求解方案）

    流體仿真和聲學仿真兩位專家為我們帶來基于Cradle和Actran的散熱風扇氣動噪聲聯(lián)合仿真案例，對氣動噪聲全流程解決方案進行講解，并針對旋轉機械噪聲多種仿真方案進行對比。此外，還分享了scFLOW2Actran氣動聲學包案例，以及一種預測風扇噪聲的新方法（偶極子環(huán)）。下方掃碼預約。

• 直播內(nèi)容聚焦

?? 氣動噪聲全流程解決方案；

?? 一種預測風扇噪聲的新方法（偶極子環(huán)）；

?? Actran旋轉機械噪聲多種仿真方案對比；

?? scFLOW2Actran氣動聲學包案例分享。