abaqus風扇仿真的案例
【AICFD案例教程】軸流風扇仿真分析
AICFD是由天洑軟件自主研發的通用智能熱流體仿真軟件，用于高效解決能源動力、船舶海洋、電子設備和車輛運載等領域復雜的流動和傳熱問題。軟件涵蓋了從建模、仿真到結果處理完整仿真分析流程，幫助工業企業建立設計、仿真和優化相結合的一體化流程，提高企業研發效率。
一、概 要
1）案例描述
本案例分析的是某軸流風扇，模型包含出口導葉流到和轉子流道兩部分組成，模擬風扇在入口速度為13.06m/s的工況下，風扇流場流動分布及風扇效率。
STAR CCM+案例｜風扇仿真
本算例演示在STAR CCM+中模擬計算風扇的基本過程。
1 問題描述
計算幾何如下圖所示。風扇包含20個等間距的以2000 RPM的速度旋轉的葉片，風扇其他部分保持靜止。空氣以5 m/s的速度從進氣口進入到計算區域中，并從出口邊界離開。
算例先用運動參考系模型進行計算，后面轉為剛體運動模型計算。
2 STAR CCM+設置
啟動STAR CCM+并新建Simulation
2.1 準備文件及網格
選擇菜單
File > Load，在打開的對話框中加載仿真文件
fan_start.sim
右鍵選擇模型樹節點
Operations，點擊彈出菜單項
Execute All生成計算網格
生成網格如下圖所示。
注：案例中對進出口區域進行了拉伸延長。
展開 航空發動機風扇噪聲仿真
下圖列出了NASA研究中的若干降噪方案，分別為使用斜向上的短艙入口設計（使噪聲向天空輻射而不是地面）、主動噪聲控制技術、聲襯（被動控制）、前掠風扇葉片、彎掠出口導葉。其中葉片的彎掠技術可以降低轉靜干涉而使噪聲降低，且無需增加額外的裝置，深受各大航空發動機制造商青睞。
盡管NASA做了很多實驗研究，但在設計流程中，風扇噪聲的優化迭代還是要靠仿真軟件。針對風扇噪聲仿真對標這個細分課題，NASA也有專門的研究。其中較為著名的就是NASA主導，普惠、GE和霍尼韋爾分別參與的靜音風扇研究項目。NASA做了一系列實驗，并把實驗數據公布與眾，引誘眾多軟件廠商前來對標。
作為氣動噪聲仿真領域的扛把子，PowerFLOW怎會錯過這樣的機會。于是針對NASA SDT（NASA/GE Source Diagnostic Test）項目，PowerFLOW進行了一系列仿真計算，相關結果發表于AIAA。本文展示了其中一部分研究成果，即針對三種不同的出口導葉方案（基本型、低葉片數方案、后掠的低噪聲方案）進行了研究分析。
下圖分別展示了三個不同方案下，仿真和實驗得到的沿短艙外側、平行于短艙軸線不同位置處的總聲壓級的對比。可以看到，PowerFLOW預測的噪聲指向性分布與實驗基本一致，且絕對值的差異均在2.5dB之內。
如果進一步的比較方案效果的話，結果更令人驚訝，PowerFLOW預測的低噪聲方案和低葉片數方案相對于基準方案的降噪效果與實驗的差異基本保持在1dB之內，如下圖所示。
而在本次仿真中，還觀測到了一個非常有趣的現象。我們知道，雖然風扇的各個葉片在設計時遵從了相同的安裝角，但由于加工和裝配誤差，每個葉片的實際安裝角會略有不同。而這種裝配誤差卻可能會減弱轉靜干涉引起的諧頻噪聲。工程上也有人專門對安裝角進行一定的周向變動，形成“錯頻效應”來降低諧頻噪聲。
展開 基于STAR-CCM+軸流風葉 風扇仿真分析 噪音優化
特別是在軸流風扇形狀對噪音抑制方面需要進行更深入研究。目前，軸流風葉的設計主要基于實驗和CFD 技術，隨著CFD 技術的成熟和普及，CFD 技術成為空調風葉結構設計的主要手段。本文利用CFD 技術對不同風葉表面形狀和不同葉片外緣翹曲度的空調軸流風葉方案進行仿真分析，然后選擇最優方案制作模卡，進行實驗測試，從而驗證CFD仿真結果。
02
計算模型
本文以某空調室外機軸流風扇為研究對象，對軸流風扇結構進行優化分析，提高風扇風量同時降低風扇氣動噪音。風扇氣動噪音是空調外機噪音的一個主要來源，目前為了降低風葉氣動噪音，風葉外形在逐步進行仿生設計，例如風葉邊緣做成鋸齒狀，風葉端面打孔，葉片增加“蜻蜓痣”等方法，通過大量實驗證明仿生設計可以降低風葉的氣動噪音。本文對風葉外形進行優化設計，研討風葉外形與噪音的關系。
為節省計算時間，CFD 模擬僅對風扇模型進行分析，研討風扇性能。優化前風葉幾何參數如表1所示。模型如圖1-3 所示，風葉前后端的圓管長度大于10 倍風扇外徑，這主要是為了風葉進出口端湍流能夠達到充分發展階段，模型兩端進出口為壓力邊界條件。
展開 
設計仿真 | 新型風扇氣動噪聲組合分析方法
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）。
展開 風扇氣動噪聲仿真分享
01
前言
風扇/風機作為一種通用的流體機械，其廣泛應用于家電、軍工、車輛等領域。
風扇在運轉中，旋轉的葉片與周圍的流場以及靜止部件（蝸殼、格柵等）都存在相對運動，其流場表現出明顯的非定常特性。這種非定常特性不但影響風扇的氣動性能，也會產生明顯的氣動/流致噪聲。
隨著近些年來國內經濟的飛速發展，人們對居住、辦公、駕乘等環境的舒適度要求越來越高。風扇的氣動/流致噪聲，在家用空調的內外掛機、空氣凈化器、吸塵器、吸油煙機、汽車空調等的噪聲中均占據了主要的組成部分。
各相關企業的研發人員，對于研究、預測、降低風扇的氣動/流致噪聲可謂傷透了腦筋。某國外家電大牌的吸塵器等產品動輒大幾千元，其主打的產品特點就是“靜音”。
對于風扇氣動/流致噪聲的預測，或者說在工業領域應用氣動/流致噪聲的仿真分析，一直都存在痛點/難點。
展開 設計仿真 | 箱式風扇噪音的數值預測
風扇在電子設備中廣泛應用，主要用于散熱。為了降低成本，人們不斷縮小風扇直徑和提高轉速，導致噪音水平上升。為了選擇合適的設計，需要精確而經濟的仿真工具。除了在自由空間或風洞試驗條件外，風扇在產品安裝條件下使用，因此需要對聲場進行精確預測。本文介紹了發表于Inter-Noise 2023的“Numerical prediction of noise generated from a box fan”論文的相關內容。
◆ 測試方法與計算參數
論文提到兩種風扇噪聲聲場的預測方法：一種是假設聲音在自由空間中傳播，結合CFD軟件進行仿真；另一種是混合方法，從CFD軟件中提取聲源，通過聲學求解器進行傳播。本次試驗使用CFD軟件中的scFLOW軟件進行非穩態流場計算，預測自由空間聲場中的聲壓。我們還使用Actran軟件計算聲壓級。兩款軟件均由海克斯康工業軟件開發，具有良好的數據交互性。
scFLOW是一款全面的CFD軟件，基于有限體積法（FVM），適用于任意多面體網格。本研究使用不可壓縮非穩態壓力求解器和LES的WALE模型，并采用精細網格。時間間隔為360°/4096，即一圈分為4096步。RANS計算結果作為LES仿真的初始條件。計算了25個循環，前5圈達到穩態，后20圈用于評估。入口和出口條件分別為總壓和流速。scFLOW具有FW-H聲壓預測功能，加密了護罩側壁周圍的網格以捕捉渦流軌跡。
商業軟件Actran基于有限元法（FEM）計算遠場傳播到相關聲源的情況，進行計算。該求解器能考慮安裝效應和平均流引起的對流效應。偶極子聲源主導小風扇情況，由旋轉葉片的載荷產生，用聲學域中嵌入的固定偶極子環進行仿真。完成力映射和傅立葉變換后，得到頻域中的偶極子。在聲學仿真中，設置不包括旋轉葉片，用靜態偶極子代替。遠場中，包圍域表面非反射，保留必要信息。
展開 仿真助力減少航空發動機渦輪風扇的噪聲
比較仿真結果與現有文獻
為了增加對分析結果的信心，我們將仿真結果與論文“Theoretical Model for Sound Radiations from Annual Jet pipes: Far- and Near-field Solution”的結果進行了比較。舉例來說，下圖顯示了仿真研究中不同源特征模式產生的近場壓力。所有求解結果均基于管道內M1=0.45的馬赫數和管道外M0=0.25的馬赫數。
(m,n) = (4,0)的近場解
(m,n) = (17,1)的近場解
(m,n) = (24,1)的近場解
此外，我們分析了近場聲壓級和旋轉幾何的近場壓力。兩項研究的結果分別突出顯示在下方兩張繪圖中。
(m,n) = (24,1) 對應的近場聲壓級
(m,n) = (4,0) 對應的旋轉幾何中的近場壓力
通過對仿真結果與上文的現有文獻進行比較，我們進一步證實了仿真結果的有效性。
來源：COMSOL
展開 （轉帖）VL風扇噪聲計算（FLUENT與VL聯合仿真詳細步驟）
Z-Wing大師從最簡單的幾何建模開始，然后CFD計算，最后到數據導入VL進行風扇噪聲計算這樣一個完整流程，整個教程長達236頁！！！大家可以一步步按照Z-Wing大師的講解，使用Fluent與VL，完成風扇噪聲仿真的全過程！！！相信這樣的資料大家一定會收藏！！！
教程下載地址：http://www.kuaipan.cn/file/id_4630314047506294.htm
教程從風扇幾何建模、流體域建模開始講起，讀者完全可以依照這一過程實現計算。另外，Z-Wing大師由于使用的是Gambit，部分讀者用其它的前處理軟件（例如HyperMesh、ICEM、ANSA、ANSYS Workbench等），只要按照Z-Wing大師的思路去操作就可以了。如果大家不想在幾何建模上花時間，下面有Z-Wing大師提供的風扇噪聲STP模型文件，讀者只要用軟件打開就可以了。
模型下載地址：http://www.kuaipan.cn/file/id_4630314047506296.htm
Z-Wing大師教程截圖：
http://pan.baidu.com/s/1pJpDBlh
展開 CFD專欄丨軸流風扇噪聲CFD仿真試驗對標
格子加密范圍
風扇模型局部視圖（從下游方向看過去）
仿真和試驗對標
CFD仿真準確的捕捉了軸流風扇的BPF及其諧波，整體SPL曲線的形態和試驗一致
噪聲的指向性趨勢和試驗一致
7個麥克風的平均聲壓級絕對值誤差約2.9dB
平均聲壓級曲線仿真和試驗的對比
7個麥克風總聲壓級仿真和試驗的對比
CFD結果分析
從渦量等值面圖可見導管和葉片頂端的間隙內存在很強的翼尖渦, 這是SPL曲線上335Hz和500Hz峰值噪聲(Tonal noise)的主要貢獻者。葉片的前緣存在非定常的壓力脈動，這是寬頻噪聲(broadband noise)的主要貢獻者。
展開 CFD專欄丨基于LBM算法的風扇氣動噪聲仿真實例
風扇的氣動噪聲
在工業設備行業，最大噪音值受法規限制。在很多使用風扇冷卻的設備上，風扇噪聲通常是這些設備工作噪聲的最大貢獻量。而在家電民用行業，例如空調、空氣凈化器、油煙機等，其噪音大小直接關系到用戶的體驗感受，而這些設備中風扇噪聲都有很大的貢獻量。
噪音測試目前是一種比較成熟、且高效的獲取風扇噪聲的方法。但是通過噪聲測試我們能獲取的只有當前設備的噪聲水平、以及頻譜中的階次特征，它并不能告訴我們噪聲產生的機理，以及優化噪聲的方向。同時，對于大型、復雜的風機葉片，模具或測試模型的制作成本也較高。加工、安裝的誤差或不確定性，也難以評估。
風扇噪聲測試
風扇流場CFD仿真
計算氣動聲學 (Computational AeroAcoustics，CAA) 是研究由湍流產生噪聲的問題，常見的比如風扇噪聲，空調噪聲，通風噪聲等。為了求解湍流中小尺度的特征，需要高精度的空間和時間上的解算方法。在數值上我們既要滿足足夠高的采樣頻率，也要滿足足夠小的空間解析率，同時要考慮到實際項目應用中效率問題，因此對于氣動噪聲的仿真一直是業內難題。
展開 
STAR-CCM+在風扇仿真中PQ與MRF域方法對比
胡忠輝,邢英金,程清波,梁正偉.STAR-CCM+在風扇仿真中PQ與MRF域方法對比[J].汽車實用技術,2018,0(23):157-158
摘 要：
對某SUV 中擬搭載的風扇，使用STAR-CCM+中PQ 和MRF 域方法對風扇單體進行仿真。將該風扇在單體風洞中進行測試，獲取風扇單體流量和靜壓數據，并在整車仿真中對比風扇周圍流線。結果表明：風扇單體仿真與試驗對比，PQ比MRF 域方法結果更接近試驗值；在整車60kph 工況仿真中，PQ 方法流體通過風扇后呈水平流動。
1 概述
目前，在風扇仿真中多使用MRF 域方法，由于扇葉模型的復雜性及網格處理精度問題，某些工況仿真準確性降低；PQ 方法簡化了風扇模型，通過模擬壓升來代替扇葉作用，減少由于扇葉精度低對仿真結果的影響。本文將風扇PQ 與MRF 域仿真結果和單體試驗對比，研究兩種方法的仿真精度，為整車開發初期機艙熱管理CFD 分析提供更準確的計算模型。
2 模型建立與數值計算
2.1 幾何模型
散熱器風扇由扇葉、框架、電機等組成，該風扇直徑為440mm，7 扇葉，導入STAR-CCM+中進行處理，分別建立風扇單體風洞模型和整車模型。
2.2 仿真方法
2.2.1 PQ 方法
通過在STAR-CCM+中建立Fan-interface 面，零厚度且可為通過此面流體提供壓升的模型，此面保留風扇中心電機部分，如圖1，之后在其屬性設置中賦入風扇單體性能試驗測得的風扇PQ曲線。
展開 Motion初學者資料——風扇仿真視頻教程
大家好， 今天帶來供motion初學者學習的資料——齒輪仿真建模，詳細演示了將模型導入motion的過程，以及對物體顏色的修改、建立輔助的點線和坐標以方便后面創建運動副，后面還有創建齒輪接觸的詳細過程及參數，如果問題請留言討論。
視頻鏈接:http://yun.baidu.com/s/1bntXi3d
（受到上傳文件大小的限制，該目錄下“初學者資料\操作視頻\FanBuild.avi“）
LMS Virtual.Lab Moiton交流群：324201728；Motion汽車模塊交流群：264418240；Durability交流群：83853780，歡迎各位入群討論交流。
展開 某型空調軸流風扇的氣動噪聲仿真分析
下面列出的是SYSNOISE進行內外部聲場分布計算的結果（左列—內聲場；右列—外聲場)
圖5 真實內外聲場耦合模型的計算結果
4、結論與建議
從計算結果看到，氣動噪聲的聲源主要來自風扇迎風面的中上部、以及對應的管路壁面部位。內部聲場的氣動噪聲主要分布在出風側，幅值較高。而外部聲場的氣動噪聲主要分布在風扇平面內，而不在風扇的流場方向上。本結論與航空領域的螺旋槳平面噪聲現象比較一致。
根據上面的分析對比過程，SYSNOISE可以非常方便地解決這類流體聲學分析問題，高效準確地得到氣動聲學的內外聲場分布。關鍵的是，SYSYNOISE的流體聲學功能可以直接與其久經考驗并得到公認的振動聲學分析模塊無縫集成和耦合起來，解決更加復雜的流體聲學問題：包括聲學有限元/無限元及其耦合；直接/間接聲學邊界元及其耦合；流體與結構的聲振耦合；吸聲材料模型；快速ATV及其優化技術；以及貢獻量分析和大規模問題的并行計算技術等等。
本文來源：http://www.51gcs.com/info/17569
展開 多物理場仿真助力渦輪風扇發動機降噪
比較仿真結果與現有文獻
為了增加對分析結果的信心，我們將仿真結果與論文“Theoretical Model for Sound Radiations from Annual Jet pipes: Far- and Near-field Solution”（參見模型文檔中的參考文獻 1）的結果進行了比較。舉例來說，下圖顯示了仿真研究中不同源特征模式產生的近場壓力。所有求解結果均基于管道內 M1 = 0.45 的馬赫數和管道外 M0 = 0.25 的馬赫數。
從上到下：（m，n）=（4，0）、（17，1）和（24，1）的近場解。
此外，我們分析了近場聲壓級和旋轉幾何的近場壓力。兩項研究的結果分別突出顯示在下方兩張繪圖中。
上：（m，n）=（24，1）對應的近場聲壓級。下：（m，n）=（4，0）對應的旋轉幾何中的近場壓力。
通過對仿真結果與上文的現有文獻進行比較，我們進一步證實了仿真結果的有效性。這種準確性證明了使用 COMSOL Multiphysics 有助于減少渦輪風扇發動機設計中的噪音污染，促進航空業取得重大進步。
來源：COMSOL
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