風扇氣動噪聲仿真的案例
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 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 | 新型風扇氣動噪聲組合分析方法
本例基于Actran2021.1，采用Lighthill面源方法，將聲源映射到聲學網格上，并完成時域氣動聲源轉成頻域的計算。這項研究的新穎之處在于這一步，其中采用兩個互補的離散傅里葉變換（DFT）設置來精確計算線譜音調和寬頻噪聲，同時避免了由于采樣時間有限而在高頻下出現不切實際的聲壓級波動：
① 對于葉片通過頻率(BPF)及其諧波引起的線譜音調噪聲，使用最小二乘法在整個采樣時間內定義并完成第一個DFT。該方法強制提取用戶設置的頻率。在本研究中，設置為從BPF開始并提取BPF高達1000Hz的每個諧波；
② 對于寬頻帶噪聲，時域數據樣本分解為多個較小的樣本（多重離散傅里葉變換），這些樣本彼此重疊50%，并對每個樣本應用Hanning窗以平滑每個子樣本之間的過渡。在本研究中，原始時域數據被分為78個重疊樣本，每個樣本的持續時間為0.02秒，正好對應50個CFD時間步長。子采樣持續時間為0.02s，最小頻率和頻率步長固定為50Hz。選擇這些參數是為了獲得不包含BPF或其諧波的頻率列表，因此僅提取寬頻帶噪聲的結果。此方法的缺點是沒有對CFD的全部結果進行利用。
通過上面的兩個步驟，便獲得了兩組氣動噪聲：
①一個DFT得到BPF及其諧波的噪聲。
②多重DFT方法得到的寬頻帶噪聲。使用兩組互補的結果，并使用腳本進行合并，就可以獲得組合氣動聲學仿真的總體頻率響應，如圖2所示。
展開 某型空調軸流風扇的氣動噪聲仿真分析
3.3 真實聲場模型（內外耦合）的計算結果
最后，利用稀疏化的網格模型建立了真實的軸流風扇內外聲場耦合模型，進行完整的軸流風扇噪聲輻射模擬分析。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
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風機氣動噪聲全流程求解方案講解，另有Cradle氣動聲學包案例分享【9月20直播】
精彩直播預告
氣動噪聲分析在汽車、航空、電子等多個行業都有著廣泛應用，通過對產品氣動噪聲分析提升產品的舒適性，優化產品結構設計和減少噪聲污染。同時，有助于提高產品性能和質量，增強市場競爭力，為人們創造更加安靜、高效的工作和生活環境。
海克斯康工業軟件在氣動噪聲分析上有一套完整的解決方案，使用scFLOW2Actran氣動聲學包實現Cradle CFD流體軟件和Actran聲學軟件聯合仿真進行氣動噪聲仿真分析。由于氣動噪聲仿真對高精度空間和時間解算方法的需求，所以在仿真分析的過程中對計算資源和時間要求也十分高。scFLOW2Actran氣動聲學包在使用過程中數據傳遞十分便捷，能夠在Cradle頁面設置聲學求解參數，調用Actran求解器進行計算，極大降低了氣動噪聲分析的學習成本。
本次直播海克斯康直播講堂請到了流體仿真和聲學仿真兩位專家為我們帶來基于Cradle和Actran的散熱風扇氣動噪聲聯合仿真案例，對氣動噪聲全流程解決方案進行講解，并針對旋轉機械噪聲多種仿真方案進行對比。此外，還分享了scFLOW2Actran氣動聲學包案例，以及一種預測風扇噪聲的新方法（偶極子環）。敬請關注！
9月20日 14:00
▲ 掃碼參與報名
立即預定
直播內容聚焦
?? 氣動噪聲全流程解決方案；
?? 一種預測風扇噪聲的新方法（偶極子環）；
?? Actran旋轉機械噪聲多種仿真方案對比；
?? scFLOW2Actran氣動聲學包案例分享。
蔣釗
海克斯康流體仿真專家
具備多年流體仿真經驗，負責Cradle CFD軟件的售前售后及項目咨詢服務，能夠針對客戶的需求能提供有效、合理、針對性的流體解決方案，為客戶解決實際應用問題。
展開 直播預告 | 海克斯康風機氣動噪聲求解方案
精彩直播預告
氣動噪聲分析在汽車、航空、電子等多個行業都有著廣泛應用，通過對產品氣動噪聲分析提升產品的舒適性，優化產品結構設計和減少噪聲污染。同時，有助于提高產品性能和質量，增強市場競爭力，為人們創造更加安靜、高效的工作和生活環境。
海克斯康工業軟件在氣動噪聲分析上有一套完整的解決方案，使用scFLOW2Actran氣動聲學包實現Cradle CFD流體軟件和Actran聲學軟件聯合仿真進行氣動噪聲仿真分析。由于氣動噪聲仿真對高精度空間和時間解算方法的需求，所以在仿真分析的過程中對計算資源和時間要求也十分高。scFLOW2Actran氣動聲學包在使用過程中數據傳遞十分便捷，能夠在Cradle頁面設置聲學求解參數，調用Actran求解器進行計算，極大降低了氣動噪聲分析的學習成本。
本次直播海克斯康直播講堂請到了流體仿真和聲學仿真兩位專家為我們帶來基于Cradle和Actran的散熱風扇氣動噪聲聯合仿真案例，對氣動噪聲全流程解決方案進行講解，并針對旋轉機械噪聲多種仿真方案進行對比。此外，還分享了scFLOW2Actran氣動聲學包案例，以及一種預測風扇噪聲的新方法（偶極子環）。敬請關注！
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?? 氣動噪聲全流程解決方案；
?? 一種預測風扇噪聲的新方法（偶極子環）；
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蔣釗
海克斯康流體仿真專家
具備多年流體仿真經驗，負責Cradle CFD軟件的售前售后及項目咨詢服務，能夠針對客戶的需求能提供有效、合理、針對性的流體解決方案，為客戶解決實際應用問題。
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本例基于Actran2021.1，采用Lighthill面源方法，將聲源映射到聲學網格上，并完成時域氣動聲源轉成頻域的計算。這項研究的新穎之處在于這一步，其中采用兩個互補的離散傅里葉變換（DFT）設置來精確計算線譜音調和寬頻噪聲，同時避免了由于采樣時間有限而在高頻下出現不切實際的聲壓級波動：
① 對于葉片通過頻率(BPF)及其諧波引起的線譜音調噪聲，使用最小二乘法在整個采樣時間內定義并完成第一個DFT。該方法強制提取用戶設置的頻率。在本研究中，設置為從BPF開始并提取BPF高達1000Hz的每個諧波；
② 對于寬頻帶噪聲，時域數據樣本分解為多個較小的樣本（多重離散傅里葉變換），這些樣本彼此重疊50%，并對每個樣本應用Hanning窗以平滑每個子樣本之間的過渡。在本研究中，原始時域數據被分為78個重疊樣本，每個樣本的持續時間為0.02秒，正好對應50個CFD時間步長。子采樣持續時間為0.02s，最小頻率和頻率步長固定為50Hz。選擇這些參數是為了獲得不包含BPF或其諧波的頻率列表，因此僅提取寬頻帶噪聲的結果。此方法的缺點是沒有對CFD的全部結果進行利用。
通過上面的兩個步驟，便獲得了兩組氣動噪聲：
①一個DFT得到BPF及其諧波的噪聲。
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展開 基于fluent的管道風扇氣動噪聲分析
2風扇氣動噪聲分析
2.1噪聲分析步驟
在 Fluent 中對于風機噪聲的仿真是分為兩個部分先后完成的：
（1） 首先使用大渦模擬模型（LES）對風扇流場中的瞬態控制方程求解獲得流場的動態穩定值，通過計算結果得到風扇的噪聲源（即風扇葉片上的動態載荷）；
（2） 接下來則是通過求解 FW-H 模型的方法對風機載荷進行分析并得到噪聲值。
2.2瞬態流場仿真邊界條件設定
聲場仿真過程中由于其 CFD 模型與流場極為相似因此不再另行建立模型，而是對原有流場模型的邊界條件進行修改。由于噪聲特性的仿真屬于非定常計算，雖然同樣將旋轉流體域設為唯一的運動區域，但是改用滑移網格模型對風扇的動葉片與靜止區域進行耦合以保證瞬態計算的精確度。
在控制方程的離散過程中使用PISO 算法代替原來的 SIMPLE 方法，相比較而言 PISO 算法在原有“預測-修正”方法的基礎上添加了一個再修正過程，對原有計算結果進行了二次改進，有效的提高了計算精度與方程的收斂速度。至于迭代過程中參數的設置，將時間步長設定為0.0001s，而計算的截止頻率取 6000Hz，在每個時間步長內計算 40 次，迭代次數為 1000。
2.3氣動噪聲邊界條件設定與后處理
將2.2節中的計算結果與 FW-H 方程相結合在葉片表面使用二重積分獲得隨需要的聲壓值信號，在進行噪聲參數設定時，以風扇本體為噪聲源，而監測點則按照 GB/T2888-2008《風機和羅茨鼓風機噪聲測量方法》中的規定設置，取風機前 1m 處噪聲結果作為分析。
展開 新型風扇氣動噪聲組合分析方法
引言
混合方法是一種
常用的計算氣動聲學方法。該方法認為氣動聲源與流動的湍流相關，但聲場對流場沒有反作用。該方法本質上是一個兩步求解方案。第一步，使用URANS、LES或DES求解非定常流場。第二步，從CFD結果中提取聲源并求解聲音傳播。
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）。
圖1：旋轉域包圍風扇葉片，靜止域包含流動障礙物和多孔線圈
Lighthill聲類比有兩種源的計算方式，分別是在域的整個體積上和在源的表面上執行源的計算。如果采用前一種方法，源計算需要整個域上的CFD信息，但在后一種方法中，我們只需要在單個表面而不是體積上讀取速度信息（以及不可壓縮模擬情況下的密度），從文件管理的角度來看，這是一個很大的優勢。
展開 風機氣動噪聲求解全流程講解，一文get基于STAR-CCM+的風機仿真全部知識點
wx_fmt=png&from=appmsg"></p><h3><strong>拓展學習（本周五直播-風機氣動噪聲求解方案）</strong></h3><p> 流體仿真和聲學仿真兩位專家為我們帶來基于Cradle和Actran的散熱風扇氣動噪聲聯合仿真案例，對氣動噪聲全流程解決方案進行講解，并針對旋轉機械噪聲多種仿真方案進行對比。此外，還分享了scFLOW2Actran氣動聲學包案例，以及一種預測風扇噪聲的新方法（偶極子環）。下方掃碼預約。</p><ul><li>直播內容聚焦</li></ul><p>?? 氣動噪聲全流程解決方案；</p><p>?? 一種預測風扇噪聲的新方法（偶極子環）；</p><p>?? Actran旋轉機械噪聲多種仿真方案對比；</p><p>?? scFLOW2Actran氣動聲學包案例分享。
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CFD 的新能源汽車冷卻風扇氣動性能仿真分析
文中選取相同流量1.279 6m3/s條件下進行網格無關性分析，表1為選取的5種不同網格數量條件進行計算，得到冷卻風扇的靜壓值與試驗結果進行對比.從表1中可以看出網格數量達到160萬左右，風扇靜壓幾乎沒有變化，并與試驗結果很接近，最大誤差為0.5%左右.為保證計算資源和計算時間的限制，后續分析也在此數量網格條件下進行計算.
表1 網格無關性驗證
3.2 計算結果驗證
圖2為試驗結果與數值計算結果的靜壓與冷卻風扇流量的關系對比，圖3為試驗結果與數值計算結果的靜壓與靜壓效率的關系對比，可以發現仿真結果與試驗測試結果趨勢大體相同，靜壓試驗值和仿真結果最大誤差為3.66%，最小誤差為0.03%，靜壓效率最大誤差為2.1%，最小誤差為0，說明文中采用的網格精度與計算模型可以較精確的仿真冷卻風扇的流動狀態，可以為后面研究冷卻風扇的氣動性能研究提供理論支持.
展開 仿真助力減少航空發動機渦輪風扇的噪聲
飛機渦輪發動機中的渦輪風扇是主要的飛行噪聲源之一。過量的噪聲可能會引發一系列健康問題，例如聽力障礙、睡眠紊亂和壓力疾病。聲學建模可以幫助您優化渦輪風扇發動機的設計，減少噪音污染及其負面影響。我們將通過噴射管教程模型，闡明使用聲學建模方法的好處。
為什么降噪對于渦輪風扇發動機很重要？
如果您乘坐過商用飛機，所在的航班很可能是由渦輪風扇發動機驅動的。渦輪風扇發動機的工作原理是：將部分捕獲的空氣送入壓縮機，空氣經壓縮后進入燃燒室，和燃料混合燃燒，排出燃氣可產生飛行推力。
圖1 渦輪風扇發動機的示意圖。
圖片由 K. Aainsqatsi 提供。在CCBY-SA 3.0 許可下使用，通過 Wikimedia Commons 分享。
圖2 真實的渦輪風扇發動機。
圖片由 Sanjay Acharya 提供。在CCBY-SA 3.0許可下使用，通過 Wikimedia Commons 分享。
近年來，渦輪風扇發動機的設計得到了極大改進，尤其是降噪。知道為什么嗎？再次想象一下你正在乘坐飛機——發動機一路在耳邊喧囂可不是什么愉快的經歷。對于機場附近的居民來說，飛機著陸和起飛時的巨大噪音會擾亂睡眠作息。因此，降低飛機及其發動機產生的噪音成為了航空業關注的焦點。為了演示具體的操作流程，我們來看一看簡化的噴射管教學模型。
展開 CFD專欄丨軸流風扇噪聲CFD仿真試驗對標
雖然在風扇上游沒有擾動，來流均勻，但是觀察到導管圓弧形進氣口和輪轂近壁區的流動分離，擴展到下游并和葉片的轉動產生了擾動。
從風扇的上游看，流場基本是對稱的，渦量較強的區域主要集中在葉輪的外圍。
中心對稱截面的聲壓云圖，可見聲波在空間的傳播過程。（可在后處理中將時域的聲壓結果轉為頻域的dbMap觀察不同頻段的能量分布）
總結
低壓軸流風扇通常用于通風和冷卻系統，除了風量、風壓等氣動性能外，氣動噪聲也是很重要的指標。
試驗方法可以評估一款風扇的噪聲水平，通常采用麥克風的聲壓級對標仿真精度。由于噪聲和流場是密切相關的，工程師可以通過仿真方法深刻理解噪聲產生的機理并對比不同的降噪措施。
展開 圓柱繞流氣動噪聲FLUENT仿真 ￥499
氣動聲學計算軟件基本上都用的是FW-H方程，完整的氣動噪聲計算應該包括以下三個部分：聲源計算、聲傳播計算和聲輻射計算。本算例以圓柱繞流為模型，仿真計算湍流導致的氣動噪聲聲源。
付費內容包含具體設置過程，詳細的仿真原理及步驟，請參考個人簡介中的聯系方式。
模型幾何尺寸
模型網格
氣動噪聲仿真結果
