CFD專欄丨空調管路流動噪聲LBM仿真
A.管路流動噪聲的實驗對標
實驗對象是簡單的L形風道，矩形截面 。設置有閥門和無閥門兩種構型，實驗段入口風速為勻速7.5m/s，風道內是充分發展的湍流。實驗段上游采用變速風扇驅動氣流，通過串聯消聲器降低風扇噪聲。待測L形風道放置在消聲室內。在風道內 7 個位置用 1/4 英寸傳感器測量非定常壁面壓力波動。使用 PIV 裝置測量風道內時均流場結構。
實驗裝置原理圖
實驗段L形肘管尺寸
PIV實驗
ultraFluidX仿真模型的時間步長Δt=8.4x10-7s，計算物理時間1.1秒，湍流模型為Smagrinsky LES。
LBM格子加密方式：管路和閥門內壁體貼加密8層0.5mm的格子，管路出口為1mm, 2mm，4mm……2^n格子尺寸過渡。
LBM模型的格子加密
LBM模型的格子加密
瞬態流場動畫顯示，由于流動慣性，在90°彎頭內側發生流動分離，閥門下游的低速區存在較為紊亂的流動，以及管路出口的高速噴流，這些高度非定常的流動區域是噪聲的主要來源。
ultraFluidX仿真結果
管路瞬態流速（有閥門）
在HyperMesh CFD中將時域風壓數據進行信號處理，可以看出管路出口的湍流風壓，幅值大，以對流速度傳播，通常被稱作偽噪聲（Pseudo Noise）。以及向遠場傳播的聲學壓，幅值小，以聲速傳播，并被遠場麥克風記錄。通過FFT處理，用戶可以將特定頻段的信號過濾，更直觀的分析噪聲的產生和傳播。
管路流動噪聲信號（有閥門）
Band Filtered Pressure Animation [50,2000Hz]
PIV實驗流場對比（有閥門）
實驗和仿真均顯示在閥門下游存在2個旋轉方向相反的大漩渦，漩渦周期性脫落的頻率約為80Hz。
管路流場（有閥門）
上圖PIV實驗，下圖ultraFluidX仿真結果
聲壓級曲線實驗對比（有閥門）
7個傳感器均為嵌入式安裝在管路內壁面，使其與表面平齊，沒有突出或凸起，不影響流動。
上游測點的SPL曲線對標（有閥門）
紅色-ultraFluidX，黑色-實驗
下游測點的SPL曲線對標（有閥門）
紅色-ultraFluidX，黑色-實驗
沒有閥門的阻擋，90°彎頭內側發生的流動分離一直延伸到出口，造成出口高度方向的明顯速度差異。
管路瞬態流場（無閥門）
管路時間平均流場（無閥門）
PIV實驗流場對比（無閥門）
管路流場（無閥門）
上圖PIV實驗，下圖ultraFluidX仿真結果
聲壓級曲線實驗對比（無閥門）
上游測點的SPL曲線對標（無閥門）
紅色-ultraFluidX，黑色-實驗
下游測點的SPL曲線對標（無閥門）
紅色-ultraFluidX，黑色-實驗
對比有（無）閥門的頻譜曲線，可以看出在流量相同的情況下，有閥門管路的內部測點的SPL幅值約高20dBA。
A.工程應用：汽車空調系統噪聲
空調風噪是空調系統在運行過程中，鼓風機送風后氣流與風道相互作用產生的噪聲。新能源電動車由于沒有了發動機作為背景噪聲，空調噪聲成為了車內主要的噪聲來源。按照噪聲源類型可分為：風扇旋轉噪聲，其通常具有明顯的峰值；以及混合箱，管路，格柵，艙內氣流等引起的寬頻噪聲。
風量-大 風量-中 風量-小
綠色：系統噪聲 紅色：風扇噪聲
風扇的旋轉噪聲BPF（Blade Passing Frequency）峰值通常是由于旋轉葉片和固定件的動靜干涉、入口的擾動、葉尖氣流泄露等因素造成。在ultraFluidX求解器中可以用OverSet Mesh重疊網格來模擬葉輪真實轉動?；虿捎锰摂M風扇模型（Virtual Fan），僅需輸入P-Q曲線，那么空氣流量由系統阻力曲線和風扇P-Q曲線的交點確定。
HyperMesh CFD設置虛擬風扇
如下圖所示的簡化風道模型，上游無換熱器的情況下，空氣流量接近理論最大流量；上游增加換熱器模型后，流量減少。
虛擬風扇模型計算HVAC風量
下圖所示汽車空調實驗狀態下，開到大風量，人耳處的聲壓級SPL曲線。小于1000Hz噪聲的主要貢獻來自管路系統和聲腔模態，1000Hz以上的峰值來自葉輪的BPF，其貢獻量被寬頻噪聲所掩蓋。
空調噪聲的實驗曲線
采用動網格Rotating Blower模型和虛擬風扇Virtual Fan模型均捕捉到了空調管路系統的寬頻噪聲。雖然，虛擬風扇模型的仿真SPL曲線丟失了葉輪的BPF峰值，但是計算代價只有動網格的1/10。
空調噪聲的實驗和仿真對比
下圖顯示ultraFluidX仿真單個出風口的聲壓dBMap云圖，入口風速為5m/s。
通過HyperMesh CFD的信號處理工具，將原始CFD時域結果轉為100~2000Hz頻段的噪聲風壓脈動。
100~2000Hz, (BFPA) Band Filtered Pressure Animation
下圖顯示ultraFluidX仿真汽車空調箱的風速云圖，葉輪采用虛擬風扇P-Q曲線，格子總數3.5億，物理時間1.8秒，采用4張A100顯卡計算約5小時。
空調箱右側出風口瞬態風速
空調箱中間出風口瞬態風速
將原始CFD時域結果轉為100~2000Hz頻段的噪聲風壓脈動。出風口附近為湍流壓力脈動區域，幅值大，噪聲信號以風速傳播（偽噪聲）。遠場區域的聲學壓幅值小，以聲速傳播。
100~2000Hz, (BFPA) Band Filtered Pressure Animation
水平切面的聲壓云圖dBMap
空調出風口的Vortex Core等值面
空調出風口的lamda2等值面圖
A.空調噪聲仿真總結
- 關鍵區域：保留風道、出風口、格柵等氣流路徑的幾何細節，LBM建模無須幾何簡化。
- 噪聲算法：近場噪聲采用CAA計算聲學法，遠場傳播采用FW-H模型。
- 格子加密：最高頻率決定最密格子尺寸，一個波長內至少15個格子。
- 數據采樣：保存流場數據頻率需滿足奈奎斯特采樣定理（至少2倍于目標最高頻率）。
- 計算時長：總時長覆蓋5個以上低頻噪聲周期。
- 優化策略：避免急轉彎，采用漸擴/漸縮截面減少流動分離。
- 流量和噪聲的關系：整體聲壓級（OASPL）與流量呈 6 - 7 次方冪律關系。
- 實驗對標的不確定性：體積流量測量不確定性約 3%，導致噪聲測量不確定性約 1dB。麥克風位置、幾何細節等因素會額外引入 1 - 2dB 變化，出風口格柵角度難以控制和測量，可能使流量分配變化達 10%，導致噪聲測量潛在誤差增加 4 - 5dB。在 200 - 3000Hz 頻段，乘員艙空調噪聲是直達噪聲和衍射噪聲的混合，需考慮內飾吸聲材料的影響。
本期的空調管路流動噪聲LBM仿真分享就到這里啦，下一期我們將分享更多實用功能，敬請期待。
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