屋頂冷水機組噪聲分析

屋頂冷水機組是商業建筑和工業設施中常見的制冷設備，其噪聲并非單一來源，而是由其內部核心部件（壓縮機、冷凝風機、水泵等）及輔助結構共同產生。其中冷凝風機約占30%~60%，氣動噪聲又可細分為：

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

屋頂無遮擋的開闊環境，使噪聲傳播路徑易通過“空氣傳聲”影響下層住戶，或通過“結構傳聲”（機組振動傳遞到屋頂樓板）間接傳播，尤其夜間環境噪聲本底值低時，風扇噪聲的干擾更突出。

冷水機組原理圖

屋頂冷水機組實物圖

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

屋頂冷水機降噪措施

噪聲測試方法

• 根據ISO 3744 測試規范，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，提供經濟實用的噪聲源聲功率級測定方法。
• 被測對象為立方體，測點布置在距離設備 1m 的六個面上，高度覆蓋設備全尺寸。
• 反射面：需為堅硬平整的地面，尺寸超出測量區域投影至少 1 米，且反射系數＞0.9（即吸聲系數＜0.1）。
• 自由場條件：除反射面外，測量表面 10 倍距離內無其他反射物（如墻壁、障礙物），此時環境修正系數 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備至少 6dB，理想情況下應低于 15dB。

噪聲測點位置

2

冷凝風機噪聲 CFD 仿真

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

冷水機組實物圖

冷水機組 CFD 模型

仿真計算對比2個模型：baseline 和頂部安裝通風斗模型。

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

虛擬風洞的長寬高為50*50*25米；環境風速為0；換熱器設置為多孔介質；湍流模型為 Smagorinksy LES。

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

格子尺寸空間分布

參考 ISO3744 測試規范，在水冷機組周圍布置9個虛擬麥克風。

p1~p9虛擬麥克風位置

p1~p9虛擬麥克風位置

p1~p9虛擬麥克風位置

3

OSM 和 Virtual Fan 模型

風扇噪聲仿真通常采用 OSM(OverSetMesh) 模型模擬風扇的轉動，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現風扇噪聲頻譜曲線的 BPF 尖峰特征，因此在 CFD 計算中僅記錄其中一個 OSM 風扇的信號，并進行復制和平移，在測點位置重構出多個風扇噪聲源的疊加效應。

8個 OSM 風扇模型

1個 OSM +7個 Virtual Fan 模型

4

FW-H 聲傳播模型

理論基礎

Ffowcs Williams-Hawkings（FW-H）由英國學者 Ffowcs Williams 和 Hawkings 于 1969 年提出。它基于 “聲學類比” 思想，將復雜的流體動力學方程轉化為可求解的聲學波動方程，從而高效計算遠場噪聲，廣泛應用于航空航天、汽車、風機等工程場景。

• 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），但聲波的能量遠低于流體動能（通常差 10?-10?量級），直接求解會因數值精度問題難以捕捉噪聲信號。
• 
  
• 聲學波動方程：

   ? 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中的連續性方程、歐拉方程和物態方程推導而來，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之間的空間網格分辨率足夠細，否則會丟失高頻信號。

如果麥克風距離聲源較遠，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，可以極大的節省計算量。

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

FW-H模型的復制粘貼

ultraFluidX 在其中一個 OSM 風扇出口空間創建 FW-H 面，對聲源進行采樣。

FW-H 模型對一個風扇噪聲源進行信號采樣

5

CFD 后處理

YZ切面瞬態風速

baseline

有通風斗

YZ切面瞬態風壓脈動

baseline

有通風斗

XZ切面瞬態風速

baseline

有通風斗

XZ切面瞬態風壓脈動

baseline

有通風斗

6

噪聲信號處理

ultraFluidX 仿真原始數據的采樣頻率47.6KHz, 長度1.8秒，包含61.8K數據點。

時域噪聲信號

在 HyperMesh CFD 中將9個虛擬麥克風的數據進行FFT 轉換為 SPL 聲壓級曲線(Narrowband 8Hz)。

從頻譜曲線看，有通風斗的模型 BPF 及其諧波的峰值均降低，一方面通風斗減少了多個風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測點位于機組正上方，噪聲信號最強；加裝風斗后各個測點的總聲壓級均顯著降低，背風位置的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, 虛線為安裝通風斗模型。

7

總結

基于 LBM 算法的 CFD 軟件 ultraFluidX 對某款商用水冷機組進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位置的聲傳播，將噪聲源和聲傳播計算解耦。FW-H 的聲源”復制粘貼”功能，可重構多個噪聲源疊加的效果。

OSM 動網格模型可精確模擬風扇葉片的動靜干涉，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。在多風扇的模型中，結合FW-H模型可以節省大量計算成本。

從本例看，水冷機組安裝通風斗降噪效果顯著，且對風扇冷卻性能影響小。下一步對風扇葉片造型進行 DOE 參數優化設計，可進一步降低噪聲源。

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