Actran气动噪声计算及风机噪声计算案例

气动噪音的定义

定义：由空气动力学产生的噪音 (aerodynamic noise)

例子：

-电线附近的风噪 (Aeolian tones, Strouhal 1878)

-飞机的起落架

-风扇叶片

-管道内部的一些截面变化及阻碍

-笛子等乐器

气动声学典型应用

为何我们越来越关注

风机类产品产生的噪音？

风机气动噪音特点

风机气动噪音主要由两类频谱内容构成：

-叶片通过频率: 由于叶片的周期性转动导致的在特定基频与倍频的噪音；

-宽带噪音: 由湍流产生的宽带噪音，在整个频率区间内无非常明显的起伏。

Actran气动声学模块

模拟由空气湍流产生噪音，基于声模拟理论。

CFD与Actran联合模拟：非定常CFD输入；定常CFD输入–SNGR方法

Actran提供与大部分CFD软件数据接口：MSC Cradle，Fluent, CFX, Star CCM+, OpenFoam等；

典型问题：空调噪音；风扇噪音；气动扰流噪音

气动振动声学联合问题：气动噪声源作为振动声学分析激励

Actran气动噪音

工作流程及特点

Actran针对各种流速流场中

的气动噪音问题

Actran气动/振动声学

的一体化求解

将气动载荷或气动噪音激励直接作用于结构单元

作用：

-进行气动力引起的振动噪音分析

-隔声罩分析

-吸声材料分析

案例分享

CNH – Wheel Loader Engine Cooling Fan

电子散热风扇噪声-Hosei University (JPN)

约翰迪尔–冷却风扇

客户挑战

-在建筑，林业和农业应用中，发动机冷却风扇噪音通常在整个机器噪音中占主导地位。

-必须妥善解决噪音，以使机械产品通过国际噪音法规。

MSC解决方案

使用AcuSolve CFD求解器耦合Actran，计算气动噪声源及其在远场中的传播。

客户价值

-模拟和实验之间的一致性良好。

-通过在开发周期中集成气动声学预测来降低开发成本。

台湾日立-家用空调室内机

Cradle+Actran(CL+Lighthill Surface)联合仿真计算：

-Cradle SC/Tetra: 整机流场、噪音频谱、风扇速度场及声功率分布动画、噪声源位置判断及量化评价；

-Actran: 各频率气动噪声源、声压分布、噪音频谱、总体噪音waterfall结果、噪声源位置判断及量化评价。

华为系统级仿真分析噪音项目

机柜声传播模拟用于预测机柜内部声场分布和了解通过进出风口向外辐射的噪音特性，在此基础上能够在较短时间通过增加某些消音设备来快速获得机柜内外的声场特征，从而快速评估噪音优化效果。主要思路和关键步骤如下：

-获得准确的声源特性；

-构建机柜声学模型；

-机柜声传播计算。

老板电器-吸油烟机降噪研究技术路线

吸油烟机流场模拟计算

吸油烟机内流场的PIV实验

吸油烟机降噪优化设计

依据吸油烟机气动噪音模拟计算结果：噪音指向性、噪音频谱特性、风道内部声压分布等，采用被动消声方式，针对吸油烟机噪音频谱特性设计了穿孔板+多孔吸声材料的降噪优化方案，并进行了试验验证。

变流器机柜噪音计算-CFD流体模拟

-模型进出口均为滤网结构，其中进口为两层滤网。需要基于多孔介质模型仿真计算；

-左右流道内分别放置板式换热翅片以及盘片状电抗器，需要进一步简化；

-壁面包含大量孔隙，内部模型流道非常复杂。基于变流柜运行过程进行简化。

流体域提取

按照流场的动静关系分别将流场分为进口区域、风扇区域和出口区域。

近壁面时均速度分布

-进口的速度在风扇进口附近速度梯度明显，速度最大值约为30m/s；

-出口壁面的速度均低于20m/s，在模型的中部由于内部变频器的存在使得空气流通面积非 常小，壁面的速度相对较高。

-进出口壁面的低速区域同样非常小，需要合理布置壁面吸声材料。

变流器机柜噪音计算-声学模拟

网格化分

如下图所示，黄色代表两侧进口区域吸声材料体网格，绿色代表变流柜内部13个区域吸声材料网格，网格为面网格，计算时定义为导纳边界。

声源项（应力张量）

-声音主要从风机处产生；主要噪声源为风机周期性的离散噪音，故会产生明显的基频或倍频噪音；

-风扇区域产生明显噪声源，应力张量值较大；若风机附近隔板或壁板隔声量偏弱，会出现噪音直接穿透的情况；

-风口区域应力张量值偏小；两侧未产生明显湍流噪声源。

251Hz进出流道体声源分布云图

292Hz进出流道体声源分布云图

声场分布图（声压级）

-噪音由风机产生，通过进出口传出，变流柜内部噪音比外部噪音大15~30dBA；

-变流柜两个进口区域加多孔介质，内外声压级云图色差明显，吸声效果明显；出口处仅有滤网，未加吸声材料，噪音直接传递出来，出口处噪音比进口处噪音大；

-从风机侧看变流柜内外声压级云图，内部声压级比外部声压级大约大40dBA，普通壁板隔声量并未达到40dBA，故会有大量噪音通过壁板直接透射出来。

测点位置

测点频谱曲线（出风口0.885m）

-仿真与试验吻合良好，第一阶频率处峰值相差3dBA左右，总声压级为74.065dBA，测试得到总声压级为76.774dBA，误差为2.708dBA。满足计算精度；

-与0.4m处相比，峰值频率相同，但峰值明显降低，曲线并未呈现明显离散频率；风机产生的离散噪音随着距离的增大而逐渐衰减；

-模拟与测试曲线均在70Hz、100Hz、200Hz左右出现极大值，这与空腔模态有关，在相关频率点处发生空腔共振。

测点频谱曲线

-两条曲线吻合度较高，但在主要峰值处有3~4db差距，该测点为变流柜底部，模拟条件中未考虑声音从出口传播出来后固体边界对声音的吸收或耗散作用，难以完全吻合；

-与其他点相比，峰值频率增加，且292Hz峰值不明显，曲线并未呈现明显离散频率；离散噪音随着距离的增大而逐渐衰减；

-曲线均在70Hz、100Hz、200Hz左右出现极大值，这与空腔模态有关，在相关频率点处发生空腔共振。

变流柜底部中心点0.4m仿真与测试数据对比

柜体内吸声材料分析

-加吸声材料后，主频（300Hz）处噪音峰值由82降为74.3，大约降7~8dBA；

-400~1000Hz的带宽中，吸声材料大约降20dBA，如图中绿色线区域所示，这也验证了吸声材料高频吸声的作用；

-不加吸声材料时，曲线在250Hz左右出现极大值，与空腔模态有关，第10、11阶空腔模态正好对应250Hz左右；可见吸声材料还可消除多余噪音峰值。

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