屋頂冷水機(jī)組噪聲分析

屋頂冷水機(jī)組是商業(yè)建筑和工業(yè)設(shè)施中常見的制冷設(shè)備，其噪聲并非單一來源，而是由其內(nèi)部核心部件（壓縮機(jī)、冷凝風(fēng)機(jī)、水泵等）及輔助結(jié)構(gòu)共同產(chǎn)生。其中冷凝風(fēng)機(jī)約占30%~60%，氣動噪聲又可細(xì)分為：

• 旋轉(zhuǎn)噪聲（離散頻率噪聲）：風(fēng)扇葉片周期性切割空氣，形成壓力脈動產(chǎn)生的噪聲，表現(xiàn)為“嗡嗡”的低頻轟鳴（通常200-1000Hz），傳播距離遠(yuǎn)、穿透性強(qiáng)，易對下層建筑或周邊居民區(qū)造成影響。
• 湍流噪聲（寬帶噪聲）：風(fēng)扇葉片表面氣流分離、渦流脫落，以及氣流在進(jìn)風(fēng)口、出風(fēng)口的紊亂流動產(chǎn)生的噪聲，頻率范圍廣（1000-10000Hz），表現(xiàn)為“呼呼”的中高頻噪聲，近距離影響更明顯。（如屋頂設(shè)備層周邊）

屋頂無遮擋的開闊環(huán)境，使噪聲傳播路徑易通過“空氣傳聲”影響下層住戶，或通過“結(jié)構(gòu)傳聲”（機(jī)組振動傳遞到屋頂樓板）間接傳播，尤其夜間環(huán)境噪聲本底值低時，風(fēng)扇噪聲的干擾更突出。

冷水機(jī)組原理圖

屋頂冷水機(jī)組實物圖

如果噪聲源距離人員較近，可以安裝聲屏障，或在風(fēng)扇出口加裝通風(fēng)斗，引導(dǎo)氣流到相反方向。

屋頂冷水機(jī)降噪措施

噪聲測試方法

• 根據(jù)ISO 3744 測試規(guī)范，在無法滿足半消聲室（ISO 3745）或混響室（ISO 3741）等精密測試條件時，提供經(jīng)濟(jì)實用的噪聲源聲功率級測定方法。
• 被測對象為立方體，測點布置在距離設(shè)備 1m 的六個面上，高度覆蓋設(shè)備全尺寸。
• 反射面：需為堅硬平整的地面，尺寸超出測量區(qū)域投影至少 1 米，且反射系數(shù)＞0.9（即吸聲系數(shù)＜0.1）。
• 自由場條件：除反射面外，測量表面 10 倍距離內(nèi)無其他反射物（如墻壁、障礙物），此時環(huán)境修正系數(shù) K?≤0.5dB 可忽略不計。
• 背景噪聲：測量表面平均聲壓級需低于被測設(shè)備至少 6dB，理想情況下應(yīng)低于 15dB。

噪聲測點位置

冷凝風(fēng)機(jī)噪聲 CFD 仿真

仿真對象為某款商用冷水機(jī)組，長寬高為3.2*2*1.2米，頂部安裝8個軸流風(fēng)機(jī)，將氣流從箱體側(cè)面的格柵吸入經(jīng)過熱交換器后由頂部排出。

冷水機(jī)組實物圖

冷水機(jī)組 CFD 模型

仿真計算對比2個模型：baseline 和頂部安裝通風(fēng)斗模型。

采用HyperMesh CFD建模和噪聲后處理，ultraFluidX 求解氣動噪聲。

虛擬風(fēng)洞的長寬高為50*50*25米；環(huán)境風(fēng)速為0；換熱器設(shè)置為多孔介質(zhì)；湍流模型為 Smagorinksy LES。

總格子數(shù)量為1.3億，物理時間3秒，采用8張V100 GPU 計算時間12.3小時。

參考 ISO3744 測試規(guī)范，在水冷機(jī)組周圍布置9個虛擬麥克風(fēng)。

p1~p9虛擬麥克風(fēng)位置

p1~p9虛擬麥克風(fēng)位置

p1~p9虛擬麥克風(fēng)位置

OSM 和 Virtual Fan 模型

風(fēng)扇噪聲仿真通常采用 OSM(OverSetMesh) 模型模擬風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動，計算精度高，但是計算成本高。在本例中，僅采用了一個OSM模型，其余七個風(fēng)扇采用 Virtual Fan，計算成本僅為 OSM 的1/10。

Virtual Fan 模型的不足是無法復(fù)現(xiàn)風(fēng)扇噪聲頻譜曲線的 BPF 尖峰特征，因此在 CFD 計算中僅記錄其中一個 OSM 風(fēng)扇的信號，并進(jìn)行復(fù)制和平移，在測點位置重構(gòu)出多個風(fēng)扇噪聲源的疊加效應(yīng)。

8個 OSM 風(fēng)扇模型

1個 OSM +7個 Virtual Fan 模型

FW-H 聲傳播模型

理論基礎(chǔ)

Ffowcs Williams-Hawkings（FW-H）由英國學(xué)者 Ffowcs Williams 和 Hawkings 于 1969 年提出。它基于 “聲學(xué)類比” 思想，將復(fù)雜的流體動力學(xué)方程轉(zhuǎn)化為可求解的聲學(xué)波動方程，從而高效計算遠(yuǎn)場噪聲，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、風(fēng)機(jī)等工程場景。

• 氣動噪聲的直接仿真需求解包含流體運動和聲波傳播的全流場方程（如 Navier-Stokes 方程），但聲波的能量遠(yuǎn)低于流體動能（通常差 10?-10?量級），直接求解會因數(shù)值精度問題難以捕捉噪聲信號。
• 
  
• 聲學(xué)波動方程：

• 
  

   ? 其中p為聲壓，c為聲速，?2為拉普拉斯算子。該方程通過線性化流體力學(xué)中的連續(xù)性方程、歐拉方程和物態(tài)方程推導(dǎo)而來，適用于小振幅聲波的傳播分析。??

近場噪聲 ultraFluidX 可以直接模擬，但是要求聲源和麥克風(fēng)之間的空間網(wǎng)格分辨率足夠細(xì)，否則會丟失高頻信號。

如果麥克風(fēng)距離聲源較遠(yuǎn)，直接模擬的成本就無法接受。采用 FW-H 模型將噪聲源和聲傳播計算解耦，可以極大的節(jié)省計算量。

ultraFluidX 采用 FW-H 聲源復(fù)制功能，可以模擬多個聲源疊加的場景。在本例中冷卻系統(tǒng)包含8個風(fēng)扇，僅記錄其中一個（假設(shè)全部風(fēng)扇具有相同氣動性能），在噪聲信號處理過程中將噪聲源復(fù)制和平移，在虛擬麥克風(fēng)位置重構(gòu)多聲源的疊加效應(yīng)，從而減少計算成本和信號處理的數(shù)據(jù)量。

FW-H模型的復(fù)制粘貼

ultraFluidX 在其中一個 OSM 風(fēng)扇出口空間創(chuàng)建 FW-H 面，對聲源進(jìn)行采樣。

FW-H 模型對一個風(fēng)扇噪聲源進(jìn)行信號采樣

CFD 后處理

YZ切面瞬態(tài)風(fēng)速

baseline

YZ切面瞬態(tài)風(fēng)壓脈動

baseline

有通風(fēng)斗

XZ切面瞬態(tài)風(fēng)速

baseline

有通風(fēng)斗

XZ切面瞬態(tài)風(fēng)壓脈動

baseline

有通風(fēng)斗

噪聲信號處理

ultraFluidX 仿真原始數(shù)據(jù)的采樣頻率47.6KHz, 長度1.8秒，包含61.8K數(shù)據(jù)點。

時域噪聲信號

在 HyperMesh CFD 中將9個虛擬麥克風(fēng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT 轉(zhuǎn)換為 SPL 聲壓級曲線(Narrowband 8Hz)。

從頻譜曲線看，有通風(fēng)斗的模型 BPF 及其諧波的峰值均降低，一方面通風(fēng)斗減少了多個風(fēng)扇出口氣流的沖撞和干擾，另一方面對噪聲的傳播起到屏蔽作用。

p9測點位于機(jī)組正上方，噪聲信號最強(qiáng)；加裝風(fēng)斗后各個測點的總聲壓級均顯著降低，背風(fēng)位置的p5、p6兩個角點位置噪聲最低。

總聲壓級對比

分別對比p1~p9測點的聲壓級曲線，實線為baseline模型, 虛線為安裝通風(fēng)斗模型。

總結(jié)

基于 LBM 算法的 CFD 軟件 ultraFluidX 對某款商用水冷機(jī)組進(jìn)行了氣動噪聲仿真分析，計算采樣多GPU 加速，仿真效率高。

FW-H 用于模擬聲源到麥克風(fēng)位置的聲傳播，將噪聲源和聲傳播計算解耦。FW-H 的聲源”復(fù)制粘貼”功能，可重構(gòu)多個噪聲源疊加的效果。

OSM 動網(wǎng)格模型可精確模擬風(fēng)扇葉片的動靜干涉，捕捉BPF及諧波峰值；Virtual Fan 模型僅用P-Q曲線替代，計算成本低。在多風(fēng)扇的模型中，結(jié)合FW-H模型可以節(jié)省大量計算成本。

從本例看，水冷機(jī)組安裝通風(fēng)斗降噪效果顯著，且對風(fēng)扇冷卻性能影響小。下一步對風(fēng)扇葉片造型進(jìn)行 DOE 參數(shù)優(yōu)化設(shè)計，可進(jìn)一步降低噪聲源。

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