ANSYS噪聲仿真分析的案例
電機(jī)振動(dòng)噪聲建模分析:基于ANSYS Workbench平臺(tái)的電機(jī)電磁噪聲仿真分析
電動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)等電力設(shè)備的噪聲起因很多，有電磁振動(dòng)噪聲、機(jī)械噪聲及流致噪聲等等，本文通過(guò)ANSYS公司的官方案例為操作背景，詳細(xì)介紹如何將作用在定子上的瞬態(tài)電磁力作為結(jié)構(gòu)諧響應(yīng)分析的載荷計(jì)算振動(dòng)噪聲。
1.電磁模型建立與分析
如圖1所示為一個(gè)電機(jī)模型，電機(jī)的額定輸出功率為550W，額定電壓為220V，極對(duì)數(shù)為4，定子齒數(shù)為24個(gè)，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為1500rpm，求電磁振動(dòng)產(chǎn)生的噪聲大小。
本算例使用的模塊如下：
RMxprt模塊：建立電機(jī)類(lèi)型；
Maxwell模塊：2D瞬態(tài)電磁場(chǎng)計(jì)算；
Structural 模塊：3D諧響應(yīng)分析計(jì)算；
Acoustics ACT模塊：噪聲計(jì)算
注：Acoustics ACT模塊需要單獨(dú)安裝，請(qǐng)用戶(hù)到官方網(wǎng)站上自行下載。
圖1 電機(jī)模型
電機(jī)的電路模型如圖2所示。
圖2 電機(jī)電路模型
1）啟動(dòng)Workbench。在Windows XP下單擊“開(kāi)始”→“所有程序”→ANSYS15→Workbench15命令，即可進(jìn)入Workbench主界面。
2）保存工程文檔。進(jìn)入Workbench后，單擊工具欄中的按鈕，將文件保存為“zhendongzaosheng.wbpj”，單擊Getting Started窗口右上角的（關(guān)閉）按鈕將其關(guān)閉。
3）雙擊Toolbox→Analysis System→RMxprt模塊建立項(xiàng)目A，如圖3所示。
4）雙擊項(xiàng)目A中的A1欄進(jìn)如RMxprt電機(jī)設(shè)置平臺(tái)，如圖4所示。
圖3 RMxprt模塊 圖4 RMxprt平臺(tái)
5）依次選擇菜單RMxprt→Machine Type，在彈出的電機(jī)類(lèi)型選擇對(duì)話(huà)框中單擊Generic Rotating Machine選項(xiàng)，單擊OK按鈕，如圖5所示。
展開(kāi) 基于ANSYS Workbench的變壓器振動(dòng)噪聲仿真分析
通過(guò)聲波的連續(xù)方程、運(yùn)動(dòng)方程、物態(tài)方程可以推導(dǎo)得到Helmholtz波動(dòng)方程，進(jìn)一步通過(guò)傅里葉變換可以得到均勻流體中傳播的基本聲學(xué)方程頻域形式為：
計(jì)算變壓器聲場(chǎng)分析需要將結(jié)構(gòu)表面的振動(dòng)速度導(dǎo)入聲學(xué)分析中作為邊界條件，聲學(xué)有限元系統(tǒng)方程形式為：
2.4 耦合分析流程
本次分析首先在MAXWELL進(jìn)行電磁場(chǎng)分析，求解完成后，對(duì)電磁力進(jìn)行FFT變換，在workbench平臺(tái)利用耦合功能，將其導(dǎo)入Mechanical進(jìn)行簡(jiǎn)諧振動(dòng)分析，得到質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度，再將其導(dǎo)入ANSYS Acoustics聲學(xué)仿真模塊，求解聲壓波動(dòng)方程，進(jìn)行聲場(chǎng)分析，得到最后的噪聲計(jì)算結(jié)果，并根據(jù)GB/T1094.10進(jìn)行評(píng)定。
Figure.基于ANSYSWorkbench的聲學(xué)仿真耦合流程
3 干式變壓器振動(dòng)噪聲分析
Figure.變壓器三維模型圖
Figure.噪聲分析耦合流程圖
3.1 電磁場(chǎng)分析
將變壓器的電磁模型導(dǎo)入Maxwell,給定鐵芯、繞組的材料，設(shè)定好額定工況的激勵(lì)、邊界條件、求解參數(shù)，即可進(jìn)行求解。
設(shè)定好的繞組激勵(lì)如下圖所示：
① 設(shè)定鐵芯、繞組材料：
Figure.材料設(shè)定
② 施加激勵(lì)、求解計(jì)算：
Figure.激勵(lì)加載&求解設(shè)置
③ 后處理：
Figure.后處理設(shè)置
Figure. 電磁力密度
3.2 結(jié)構(gòu)分析
在mechanical中進(jìn)行分析前，首先根據(jù)提供的材料在Engineer Data中輸入材料數(shù)據(jù)，由于諧響應(yīng)分析是線性分析類(lèi)型，并且變壓器結(jié)構(gòu)在實(shí)際工作中也不允許超出屈服強(qiáng)度，因此此處以線彈性材料進(jìn)行簡(jiǎn)化輸入。網(wǎng)格劃分過(guò)程中，實(shí)體單元以四面體、六面體混合。根據(jù)實(shí)際工作，掃頻范圍設(shè)置為0~1000Hz。
展開(kāi) 基于ANSYS Workbench平臺(tái)的電機(jī)電磁噪聲仿真分析
下面介紹一下基于ANSYS Workbench平臺(tái)的電機(jī)電磁噪聲仿真分析：
電動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)等電力設(shè)備的噪聲起因很多，有電磁振動(dòng)噪聲、機(jī)械噪聲及流致噪聲等等，本文通過(guò)ANSYS公司的官方案例為操作背景，詳細(xì)介紹如何將作用在定子上的瞬態(tài)電磁力作為結(jié)構(gòu)諧響應(yīng)分析的載荷計(jì)算振動(dòng)噪聲。
1.電磁模型建立與分析
圖1 電機(jī)模型
電機(jī)的電路模型如圖2所示。
圖2 電機(jī)電路模型
1）啟動(dòng)Workbench。在Windows XP下單擊“開(kāi)始”→“所有程序”→ANSYS15→Workbench15命令，即可進(jìn)入Workbench主界面。
2）保存工程文檔。進(jìn)入Workbench后，單擊工具欄中的按鈕，將文件保存為“zhendongzaosheng.wbpj”，單擊Getting Started窗口右上角的（關(guān)閉）按鈕將其關(guān)閉。
3）雙擊Toolbox→Analysis System→RMxprt模塊建立項(xiàng)目A，如圖3所示。
4）雙擊項(xiàng)目A中的A1欄進(jìn)如RMxprt電機(jī)設(shè)置平臺(tái)，如圖4所示。
圖3 RMxprt模塊 圖4 RMxprt平臺(tái)
5）依次選擇菜單RMxprt→Machine Type，在彈出的電機(jī)類(lèi)型選擇對(duì)話(huà)框中單擊Generic Rotating Machine選項(xiàng)，單擊OK按鈕，如圖5所示。
展開(kāi) 基于Ansys的汽車(chē)氣動(dòng)噪聲數(shù)值仿真分析實(shí)例
隨著車(chē)輛性能的提高及高等級(jí)公路的建設(shè)，車(chē)輛的速度越來(lái)越快，車(chē)輛外流場(chǎng)的氣動(dòng)噪聲以車(chē)速的6次方的數(shù)量增長(zhǎng)。因而，當(dāng)車(chē)輛的其它噪聲得到有效的控制后，車(chē)輛的氣動(dòng)噪聲就變得尤為重要了。70年代研究人員發(fā)現(xiàn)，車(chē)速為 70km/h的情況下，氣動(dòng)噪聲的范圍為62~78dB；而在速度為110km/h的情況下，氣動(dòng)噪聲的范圍達(dá)到80~90dB。新的研究表明，車(chē)速超過(guò)100km/h，氣動(dòng)噪聲對(duì)車(chē)外噪聲的影響己超過(guò)了其它噪聲。
數(shù)值模擬方法可在新車(chē)設(shè)計(jì)初期的造型階段進(jìn)行氣動(dòng)噪聲的預(yù)測(cè)，為選型及造型參數(shù)修改提供依據(jù)，從而可以較早地得到較理想的產(chǎn)品，避免產(chǎn)品缺陷。
湍流模型的選擇
氣動(dòng)噪聲模擬可以選擇幾種不同的數(shù)值方法，大渦模擬可以得到精確的模擬效果，但要求生成的網(wǎng)格質(zhì)量好，計(jì)算比較耗時(shí)。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的初始階段，往往需要噪聲的大致分布情況，基于模型的噪聲源方法可以解決這一問(wèn)題。
模型的湍流動(dòng)能輸運(yùn)方程：
湍流動(dòng)能耗散率輸運(yùn)方程：
式中：
Gk為平均速度梯度產(chǎn)生的湍流動(dòng)能
Gb為浮力產(chǎn)生的湍流動(dòng)能
β為熱膨脹系數(shù)
μt 為湍流粘度
σk，σt為k，ε的湍流普朗特常數(shù)。
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，模擬中使用的常數(shù)分別取值為：Cμ=0.09，σk=1.0，σε=1.3，C1ε=1.44，C2ε=1.92，C3ε=1。
基于公司現(xiàn)在對(duì)氣動(dòng)噪聲的要求，選擇模型是比較適宜的。
模型網(wǎng)格的劃分和計(jì)算域的建立
模型是在CATIA軟件上建立的，然后導(dǎo)入ICEMCFD軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為了提高計(jì)算的效率，對(duì)模型的底部進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理。
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，流場(chǎng)仿真計(jì)算所取的計(jì)算域到達(dá)一定的大小時(shí)，汽車(chē)的流場(chǎng)就不再受計(jì)算域大小的限制。
展開(kāi) 
電機(jī)振動(dòng)噪聲建模分析：ANSYS電機(jī)振動(dòng)噪聲分析
結(jié)論與展望
通過(guò)ANSYS Workbench可以方便的分析電機(jī)振動(dòng)噪聲，此外在此基礎(chǔ)上還可以進(jìn)行多轉(zhuǎn)速分析以及對(duì)電機(jī)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析。
文章來(lái)源：易仿真
電機(jī)振動(dòng)噪聲建模分析：基于導(dǎo)入DXF轉(zhuǎn)子模型導(dǎo)入MANATEE的振動(dòng)噪聲仿真分析
通過(guò)導(dǎo)入DXF文件與MANATEE的耦合可以更加方便，更加準(zhǔn)確的進(jìn)行電機(jī)電磁振動(dòng)噪聲的仿真分析，為用戶(hù)提供了切實(shí)可行的解決方案。
文章來(lái)源：天源科技
【12月4-5日 上海】ANSYS官方培訓(xùn)—電機(jī)多場(chǎng)耦合仿真（電磁、流體、振動(dòng)、噪聲耦合分析）
電機(jī)多場(chǎng)耦合仿真（電磁、流體、振動(dòng)、噪聲耦合分析）
培訓(xùn)背景
電機(jī)，特別是現(xiàn)代高效能電機(jī)和新型永磁電機(jī)，作為工業(yè)領(lǐng)域最為重要的電能轉(zhuǎn)換設(shè)備，其直接/間接用電量占到了工業(yè)領(lǐng)域總用電量的近75%，如何在電機(jī)方案設(shè)計(jì)前期有效提升產(chǎn)品的效率？如何在保證效率的同時(shí)綜合提升電機(jī)的散熱性能指標(biāo)？如何優(yōu)化電機(jī)振動(dòng)和噪音？如何盡可能的壓縮產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期、降低產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)成本？上述問(wèn)題嚴(yán)重制約著電機(jī)研發(fā)、設(shè)計(jì)企業(yè)和研究院所的長(zhǎng)期穩(wěn)定發(fā)展，以及產(chǎn)品的核心競(jìng)爭(zhēng)力提升。
為了推進(jìn)中國(guó)電機(jī)設(shè)計(jì)企業(yè)和院所的產(chǎn)品設(shè)計(jì)能力提升、解決電機(jī)設(shè)計(jì)工程師在實(shí)際設(shè)計(jì)中面臨的工程問(wèn)題；同時(shí)，也為了讓廣大電機(jī)設(shè)計(jì)工程師更好的使用軟件，普及ANSYS電機(jī)多物理場(chǎng)耦合分析高級(jí)功能， ANSYS公司（原廠）特定于12月4日在上海開(kāi)辦 “電機(jī)多場(chǎng)耦合仿真（電磁、流體、振動(dòng)、噪聲耦合分析）”專(zhuān)題班，幫助您全面了解ANSYS軟件最新功能與使用技巧，解答您在軟件使用中的疑惑與問(wèn)題，并將上述軟件的各項(xiàng)功能靈活高效地應(yīng)用于仿真中，解決目前一些研究熱點(diǎn)中的仿真難題，提升高效電機(jī)產(chǎn)品研制和設(shè)計(jì)效率。
培訓(xùn)合格者發(fā)放ANSYS技術(shù)培訓(xùn)認(rèn)證證書(shū)。
展開(kāi) 電機(jī)振動(dòng)噪聲建模分析：基于Motor-CAD的永磁同步電機(jī)E-NVH仿真分析（單一工況點(diǎn)噪聲）
目前，新能源汽車(chē)電機(jī)的噪聲問(wèn)題變得越來(lái)越突出，電機(jī)的電磁振動(dòng)噪聲是設(shè)計(jì)人員研究的熱點(diǎn)問(wèn)題，而電磁振動(dòng)噪聲的激勵(lì)源電磁力波至關(guān)重要。本文基于Motor-CAD對(duì)永磁同步電機(jī)進(jìn)行電磁振動(dòng)噪聲（E-NVH）仿真分析，為永磁同步電機(jī)的E-NVH分析提供理論依據(jù)，并為永磁同步電機(jī)的E-NVH提供優(yōu)化途徑。
Motor-CAD是全球領(lǐng)先的新能源汽車(chē)電機(jī)選型分析及設(shè)計(jì)軟件，用于新能源汽車(chē)電機(jī)的選型匹配，優(yōu)化設(shè)計(jì)，競(jìng)品分析，拆解分析等。開(kāi)發(fā)至今，已被全球主要的整車(chē)生產(chǎn)企業(yè)、電機(jī)生產(chǎn)商、科研機(jī)構(gòu)及高校等廣泛使用。
Motor-CAD集成化軟件包，可在選型、設(shè)計(jì)階段高效地對(duì)電機(jī)進(jìn)行電磁和熱性能測(cè)試；軟件包括：電磁（EMag）、熱（Therm）、機(jī)械模塊（Mechanical）和虛擬實(shí)驗(yàn)室（Lab）四個(gè)模塊，可在幾分鐘內(nèi)精確評(píng)估電磁、熱和電磁振動(dòng)噪聲特性。
本例以一臺(tái)48S8P永磁同步電機(jī)為例，對(duì)電機(jī)的電磁噪聲進(jìn)行仿真分析。通過(guò)Motor-CAD中的Mechanical模塊對(duì)電機(jī)E-NVH進(jìn)行仿真分析，為后續(xù)的降噪方案提供思路。下圖所示電機(jī)的Motor-CAD模型圖，內(nèi)置式永磁同步電機(jī)，具體的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置在此不再贅述。
展開(kāi) 聲學(xué)仿真：船舶噪聲仿真分析
來(lái)源：舟山虛擬仿真驗(yàn)證平臺(tái)
船舶噪聲來(lái)源主要有三個(gè)，分別是艙室噪聲、水下輻射噪聲以及自噪聲，分別介紹如下：
01
艙室噪聲
艙室噪聲是由船舶的結(jié)構(gòu)噪聲和空氣噪聲共同引起的。除空氣聲源艙室和鄰近艙室中的艙室噪聲主要由空氣噪聲決定外，其它艙室的艙室噪聲主要由結(jié)構(gòu)噪聲決定。
02
水下輻射噪聲
船舶在海上航行時(shí)引起的水下輻射噪聲，主要由機(jī)械設(shè)備振動(dòng)產(chǎn)生的水下噪聲、螺旋槳噪聲、螺旋槳脈動(dòng)壓力作用在艉部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的水下噪聲和水動(dòng)力噪聲組成。
03
自噪聲
自噪聲是指聲納接收換能器所接收到的其載體產(chǎn)生的噪聲和聲納設(shè)備本身產(chǎn)生噪聲的總和。
目前噪聲仿真分析技術(shù)已擁有聲振耦合分析功能，適用于仿真計(jì)算船體設(shè)備的振動(dòng)引起的聲輻射、水下艦艇的聲輻射、阻尼與隔振等問(wèn)題，并可以通過(guò)合理地優(yōu)化船舶總體結(jié)構(gòu)與各部件，達(dá)到減振降噪的目的。圖中是水下某艦艇聲輻射仿真分析應(yīng)用示例。
展開(kāi) 船舶噪聲仿真分析
船舶噪聲來(lái)源主要有三個(gè)，分別是艙室噪聲、水下輻射噪聲以及自噪聲，分別介紹如下：
01
艙室噪聲
艙室噪聲是由船舶的結(jié)構(gòu)噪聲和空氣噪聲共同引起的。除空氣聲源艙室和鄰近艙室中的艙室噪聲主要由空氣噪聲決定外，其它艙室的艙室噪聲主要由結(jié)構(gòu)噪聲決定。
02
水下輻射噪聲
船舶在海上航行時(shí)引起的水下輻射噪聲，主要由機(jī)械設(shè)備振動(dòng)產(chǎn)生的水下噪聲、螺旋槳噪聲、螺旋槳脈動(dòng)壓力作用在艉部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的水下噪聲和水動(dòng)力噪聲組成。
03
自噪聲
自噪聲是指聲納接收換能器所接收到的其載體產(chǎn)生的噪聲和聲納設(shè)備本身產(chǎn)生噪聲的總和。
目前噪聲仿真分析技術(shù)已擁有聲振耦合分析功能，適用于仿真計(jì)算船體設(shè)備的振動(dòng)引起的聲輻射、水下艦艇的聲輻射、阻尼與隔振等問(wèn)題，并可以通過(guò)合理地優(yōu)化船舶總體結(jié)構(gòu)與各部件，達(dá)到減振降噪的目的。圖中是水下某艦艇聲輻射仿真分析應(yīng)用示例。
展開(kāi) 干貨 | ANSYS Fluent氣動(dòng)噪聲仿真模型解析
氣動(dòng)噪聲是由于氣流流過(guò)固體表面引起的氣流壓力擾動(dòng)產(chǎn)生，它起因于氣體內(nèi)部的脈動(dòng)質(zhì)量源（單極子噪聲源）、作用力的空間梯度（偶極子噪聲源）和應(yīng)力張量的變化（四極子噪聲源）。氣動(dòng)噪聲問(wèn)題在各種高速機(jī)械中均有產(chǎn)生，比如高鐵、飛機(jī)、汽車(chē)以及旋轉(zhuǎn)機(jī)械等領(lǐng)域（見(jiàn)圖1）。
圖1 氣動(dòng)噪聲的應(yīng)用領(lǐng)域
ANSYS Fluent提供了三種解決氣動(dòng)噪聲的方法，分別是直接計(jì)算法（CAA）、聲比擬法（FW-H方程）、寬頻法（Boardband Model）（見(jiàn)圖2）。由于聲波方程可認(rèn)為是三維可壓縮N-S湍流方程的變形形式，所以求解N-S方程可以描述聲波產(chǎn)生和傳播現(xiàn)象。
但流動(dòng)和聲學(xué)變量尺度跨度很大，所以CAA方法對(duì)于精度要求和硬件要求都很高，在實(shí)際工程問(wèn)題中不可行。而更多采用的是將波動(dòng)方程和流動(dòng)方程解耦的聲比擬法和寬頻方法。具體理論方程可參考ANSY。
圖2 ANSYS Fluent中氣動(dòng)聲學(xué)模型
以軸流風(fēng)機(jī)為例，對(duì)其氣動(dòng)噪聲進(jìn)行仿真。首先進(jìn)行穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)計(jì)算，可采用多參考系（MRF），為后面的瞬態(tài)計(jì)算提供初始流場(chǎng)；其次，可采用滑移網(wǎng)格進(jìn)行瞬態(tài)計(jì)算，控制時(shí)間步長(zhǎng)，且至少得到多個(gè)周期的變化方可結(jié)束；然后，開(kāi)啟聲比擬模型，設(shè)置sources及receivers，進(jìn)行聲場(chǎng)仿真，并輸出相關(guān)參數(shù)變化曲線；最后，通過(guò)傅里葉變換（FFT）得到聲壓級(jí)頻譜曲線（見(jiàn)圖3）。
展開(kāi) 
Ansys | 利用Ansys Motor-CAD NVH調(diào)諧分析噪聲、振動(dòng)和聲振粗糙度
噪聲、振動(dòng)和聲振粗糙度（NVH）是電機(jī)設(shè)計(jì)與性能的關(guān)鍵因素。過(guò)高的NVH會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品壽命縮短、維護(hù)成本增加和客戶(hù)滿(mǎn)意度下降。因此，在設(shè)計(jì)階段早期解決NVH挑戰(zhàn)至關(guān)重要，以避免設(shè)計(jì)階段后期出現(xiàn)重大NVH問(wèn)題。
電機(jī)NVH分析本質(zhì)上是一個(gè)結(jié)合了電磁和機(jī)械分析的、復(fù)雜的多物理場(chǎng)問(wèn)題——因?yàn)殡姍C(jī)NVH問(wèn)題通常源于電磁力與結(jié)構(gòu)組件（如定子）之間的相互作用。因此，全面了解電機(jī)的電磁和機(jī)械屬性對(duì)于準(zhǔn)確預(yù)測(cè)其N(xiāo)VH性能至關(guān)重要。
Ansys Motor-CAD電機(jī)設(shè)計(jì)工具是一款專(zhuān)用解決方案，可用于在整個(gè)扭矩-速度范圍內(nèi)對(duì)電機(jī)進(jìn)行多物理場(chǎng)仿真。利用該工具，用戶(hù)能夠在同一個(gè)用戶(hù)界面中評(píng)估電磁、熱和機(jī)械性能。將電磁和機(jī)械模塊集成到Motor-CAD軟件中，可實(shí)現(xiàn)快速NVH分析，從而促進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)的迭代優(yōu)化。這種方法使用戶(hù)能夠調(diào)整關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)（例如繞組配置、轉(zhuǎn)子和定子幾何結(jié)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)材料），并快速評(píng)估其對(duì)NVH性能的影響。此外，這種靈活性有助于用戶(hù)在性能、成本和NVH特性之間實(shí)現(xiàn)最佳平衡。
為了進(jìn)行快速NVH分析，Motor-CAD軟件使用一種分析機(jī)械模型，將定子幾何結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)單的環(huán)形結(jié)構(gòu)。然而，其在剛度計(jì)算方面有局限性。例如，當(dāng)齒底較寬時(shí)，就會(huì)發(fā)生這種情況——如圖1所示，齒部幾何結(jié)構(gòu)會(huì)影響定子軛剛度。
圖1：具有寬齒底的定子
圖2比較了未調(diào)諧的Motor-CAD等效輻射功率（ERP）水平與圖1所示電機(jī)在Ansys Mechanical結(jié)構(gòu)有限元分析（FEA）軟件中的結(jié)果。Motor-CAD解析模型可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)由三階力諧波激勵(lì)的第0階模態(tài)（膨脹模態(tài)）。然而，由于寬齒底對(duì)定子軛剛度的影響，它無(wú)法有效預(yù)測(cè)由二階力諧波分量激勵(lì)的第6階模態(tài)（六邊形模態(tài)）。
展開(kāi) 圓柱繞流流致噪聲仿真分析
從定性的角度分析可得，湍流自身含有的湍動(dòng)能一部分作為管道結(jié)構(gòu)振動(dòng)的激勵(lì)作用在管壁上，引起管壁的振動(dòng)以及向外輻射噪聲，另一部分能量將作為流動(dòng)聲源在管內(nèi)產(chǎn)生噪聲。流致噪聲在航海、航空領(lǐng)域受到高度的關(guān)注，它不僅造成飛機(jī)、直升機(jī)艙室乘員感觀和心理上的不適，還嚴(yán)重影響水下作戰(zhàn)平臺(tái)（如潛艇）的隱蔽性。流致噪聲是指由于運(yùn)動(dòng)流體與固體邊界相互作用以及流體內(nèi)部湍流所引起的輻射噪聲。其主要激發(fā)機(jī)理是由于固體與流體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)以及流體自身的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)所激起的流體內(nèi)部及壓力擾動(dòng)在介質(zhì)中的傳遞。
自上世紀(jì)50年代，我國(guó)就已開(kāi)展了湍流噪聲方面的研究，但進(jìn)展緩慢；而且早期研究主要集中于湍流邊界層的近場(chǎng)特性，對(duì)流體自輻射噪聲的研究較少。時(shí)至今日，湍流噪聲的理論研究大都基于Lighthill聲比擬方程、Powell渦聲理論及Kirchhoff理論；其中Powell渦聲理論和Kirchhoff理論均是基于Lighthill聲比擬理論發(fā)展而來(lái)。
當(dāng)流體流經(jīng)封閉的障礙物管時(shí)，在障礙物管和主管道連接處由于慣性、流體內(nèi)摩擦力、邊界層脫落效應(yīng)的耦合疊加而產(chǎn)生漩渦脫落，其形成的管內(nèi)噪聲是管道聲致振動(dòng)疲勞損傷的重要原因。本技術(shù)貼從典型的漩渦脫落管內(nèi)噪聲為例，介紹管內(nèi)流動(dòng)噪聲的計(jì)算方法。
本文使用ANSYS Fluent 19.0軟件，對(duì)圓柱擾流流動(dòng)所引起的誘導(dǎo)噪聲進(jìn)行聲比擬仿真，內(nèi)容包括網(wǎng)格導(dǎo)入、模型選擇、材料物性、邊界條件、求解參數(shù)、后處理的設(shè)置。通過(guò)聲比擬方法獲得擾流流場(chǎng)和噪聲。
2. 模型仿真描述
本仿真為2D模型，圓柱直徑為1.9cm，來(lái)流風(fēng)速為69.2m/s。基于直徑的雷諾數(shù)為90000，流場(chǎng)的計(jì)算域上游為5倍的圓柱直徑，下游為20倍圓柱直徑，采用2D LES模型進(jìn)行模擬。
3.
展開(kāi) 一場(chǎng)“安靜”的革命：通過(guò)仿真分析電動(dòng)機(jī)噪聲
寂靜之聲：安靜的環(huán)境中噪音更明顯
電動(dòng)汽車(chē)明顯比內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的汽車(chē)更安靜，這使得對(duì)噪聲、振動(dòng)和聲振粗糙度（NVH）的管控更具挑戰(zhàn)性。現(xiàn)代汽車(chē)在 2015 年對(duì)混合動(dòng)力汽車(chē)中的電動(dòng)機(jī)噪聲進(jìn)行的一項(xiàng)研究表明：
盡管電動(dòng)機(jī)噪聲水平相對(duì)較低，但由于內(nèi)燃機(jī)的掩蔽效應(yīng)被減弱了，很容易察覺(jué)到發(fā)動(dòng)機(jī)未點(diǎn)火時(shí)的動(dòng)力總成噪聲。事實(shí)上，客戶(hù)感興趣的頻率范圍可能在 1kHz 左右……這是人耳的敏感范圍。
為了減輕這種明顯的噪聲，工程師們可以解決汽車(chē)結(jié)構(gòu)中的噪聲傳播問(wèn)題，同時(shí)也可以從源頭上測(cè)量和管控電動(dòng)機(jī)的聲源。
建立電動(dòng)機(jī)噪聲的多物理場(chǎng)模型
當(dāng)我們聽(tīng)到電機(jī)軸或外殼發(fā)出嘯叫或顫動(dòng)時(shí)，實(shí)際上是對(duì)電磁運(yùn)作的可聽(tīng)效應(yīng)的反應(yīng)。永磁同步電動(dòng)機(jī)利用轉(zhuǎn)子中的永磁體和定子中的變頻交流電產(chǎn)生扭矩。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，定子利用電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)跟隨轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速產(chǎn)生一致的扭矩。
由于結(jié)構(gòu)和制造的限制，電動(dòng)機(jī)受到的電磁力不完全是正弦曲線。
電磁力包含的主要頻率成分是旋轉(zhuǎn)頻率，但也包含在更高頻率下產(chǎn)生的變化。這些變化被稱(chēng)為高次諧波，出現(xiàn)在一次諧波的倍數(shù)頻率處，并且可以顯著改變電動(dòng)機(jī)的噪聲、振動(dòng)與聲振粗糙度（NVH）性能。
正像本文的教程模型所演示的，仿真可以計(jì)算電磁力并提取一次和隨后的諧波。這些諧波力激勵(lì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)，振動(dòng)穿過(guò)電機(jī)外殼，并在空氣中產(chǎn)生壓力波，這通常是我們聽(tīng)到的噪聲部分。由于電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速是可變的，隨著電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)速度的加快，每個(gè)諧波產(chǎn)生的聲音量將使用仿真來(lái)確定。
電磁力產(chǎn)生的聲學(xué)響應(yīng)可視化
一般來(lái)說(shuō)，利用 2D 模型可以很好地捕捉到永磁同步電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的電磁力。但是，振動(dòng)和輻射噪聲需要使用完整的 3D 幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。下圖顯示了用于電磁分析的電動(dòng)機(jī)截面和周?chē)曈虻?3D 幾何結(jié)構(gòu)。
電動(dòng)機(jī) 2D 幾何視圖(左)和包含周?chē)曈虻?3D 幾何視圖(右)。
展開(kāi) 脫硝煙囪噪聲CFD仿真分析
為探究低頻噪音的產(chǎn)生機(jī)理以及提出降噪方案，對(duì)出口風(fēng)機(jī)到煙囪處進(jìn)行CFD仿真，模擬其氣流脈動(dòng)，以期對(duì)噪音的改善起到幫助性作用。
1.模型建立
根據(jù)圖紙對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行三維建模，模型包括三部分：進(jìn)口靜止部分、風(fēng)機(jī)葉輪區(qū)域旋轉(zhuǎn)部分、以及喇叭口擴(kuò)散段和煙囪處的靜止部分。
圖1 計(jì)算模型
2.邊界條件
進(jìn)口邊界條件按照風(fēng)量換算成速度進(jìn)口（22.92m/s）,出口為壓力出口，出口壓力設(shè)置為0Pa，固壁面設(shè)置為無(wú)滑移。風(fēng)機(jī)葉輪區(qū)域設(shè)置為旋轉(zhuǎn)域，轉(zhuǎn)速為990rpm，旋轉(zhuǎn)域模型采用MRF，旋轉(zhuǎn)域與靜止域之間以Domain Interface連接，以保證數(shù)據(jù)的傳遞。
由于該區(qū)域內(nèi)的氣流為帶旋轉(zhuǎn)域的非定常復(fù)雜流動(dòng)，同時(shí)為了檢測(cè)流域內(nèi)部各個(gè)部位的壓力脈動(dòng)，需進(jìn)行瞬態(tài)計(jì)算，時(shí)間步長(zhǎng)給定為0.0006s，每一個(gè)時(shí)間步內(nèi)迭代10次。
壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別布置在下圖的P1~P9處，其中P1、P2和P3點(diǎn)處在煙囪進(jìn)口孔板后側(cè)；P4、P5和P6三點(diǎn)在風(fēng)機(jī)出口到煙囪進(jìn)口之間的擴(kuò)散段；P7、P8和P9在煙囪中心線上。
圖2 瞬態(tài)計(jì)算監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置
3.計(jì)算結(jié)果及分析
3.1 原始方案
3.1.1計(jì)算域整體流場(chǎng)分布
圖3為瞬態(tài)計(jì)算條件下某一時(shí)刻煙道內(nèi)氣流的流線分布，從中可以看到氣流從進(jìn)口進(jìn)入計(jì)算域后，經(jīng)過(guò)葉輪的旋轉(zhuǎn)作用，在喇叭口內(nèi)形成了十分紊亂的湍流運(yùn)動(dòng)，后經(jīng)由煙囪排出。
圖3 煙道內(nèi)氣流流線分布
一般而言，管路中的噪音來(lái)源主要包括三方面：壓力脈動(dòng)、氣流噪音和管路振動(dòng)。因此我們根據(jù)瞬態(tài)仿真結(jié)果，從壓力脈動(dòng)和氣流兩方面進(jìn)行分析。
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