风机气动噪声求解全流程讲解，一文get基于STAR-CCM+的风机仿真全部知识点

    风机作为广泛应用于工业、建筑、农业等领域的机械设备，其运行产生的噪声问题日益受到关注。风机噪声不仅影响周边环境的舒适度，还可能对人们的身心健康造成不利影响。因此，对风机气动噪声进行有效求解与治理显得尤为重要。

    本文将从风机原理、风机噪声介绍、风机噪声仿真方法三个方面进行详细阐述，并辅以图文并茂的说明；同时为您推荐一场干货直播课程“风机气动噪声求解方案”，感兴趣上方扫码预约或文末预约。

风机原理介绍

    风机是依靠输入的机械能，提高气体压力并引导气体流动的机械。根据气流进入叶轮后的流动方向不同，风机主要分为轴流式风机、离心式风机和斜流（混流）式风机。

1. 离心式风机

    离心式风机利用高速旋转的叶轮将气体加速，然后通过扩压器使动能转换成压力能。在单级离心风机中，气体从轴向进入叶轮，经过叶轮时改变成径向，进入扩压器后减速并转换为压力能。多级离心风机则通过回流器使气流进入下一叶轮，产生更高压力。

2. 轴流式风机

    轴流式风机中，气流轴向进入叶轮，在旋转叶片的流道中沿着轴线方向流动。叶轮旋转时，气体受到叶片推挤，能量升高后流入导叶，导叶将偏转气流变为轴向流动，并导入扩压管，进一步将气体动能转换为压力能。

3. 斜流（混流）式风机

    斜流式风机结合了轴流式和离心式风机的特点，其工作原理与轴流式风机类似，但叶片角度更为倾斜，使得气流在叶轮中既受到轴向推挤又受到径向加速，压力系数较高，流量系数也较大。

    风机气动性能，主要通过两个曲线描述：P-Q曲线和效率曲线。P-Q曲线直接决定了风扇的适用条件，效率曲线决定了风扇的使用成本。

P-Q曲线

    P-Q曲线描述了风扇静压和流量之间的关系，是风扇最重要的特性曲线。风扇静压是风扇的出口静压和入口总压之间的差值，流量为通过风扇的体积流量。 P-Q曲线呈单调递减形式，即风扇静压会随着流量的增加而减少。

效率曲线

    效率曲线描述了风扇气动效率和流量之间的关系。风扇效率计算公式为：

其中，Q 为体积流量，

Ps为风扇静压，

Pi为风扇输入功率。

效率曲线为山峰状，即中等流量工况下风扇效率较高，小流量和大流量的效率较低。

在 0 流量和最大流量两个极端工况下，其效率为 0。

风机噪声介绍

    风机噪声主要由旋转部件的机械噪声、高速运转的振动噪声和气流变化产生的气动噪声组成。其中，气动噪声是风机噪声的主要来源，包括叶片通过频率噪声和宽带噪声。

1. 叶片通过频率噪声

    叶片通过频率噪声是由于叶片周期性转动，在特定基频与倍频上产生的噪音。这种噪声具有明显的周期性特征，频率与叶片转速和叶片数相关。

2. 宽带噪声

    宽带噪声由气流在叶片表面形成湍流后分离时发出，其频谱在整个频率区间内无明显起伏，呈现出宽频带特性。宽带噪声主要由湍流边界层或叶片上的分离引起。

噪声仿真方法

• 声音产生的主要机制可归类为：

Ÿ涡流脱落噪声

• 从流体中的钝体释放的涡旋，因涡流脱落引起的体上的时间变化循环会在体本身上产生波动力，该波动力将传递到流体并作为声音传播。

Ÿ湍流结构相互作用噪声

• 碰撞在固体表面上的涡旋结构产生局部压力波动。

Ÿ尾缘噪声

因边界层不稳定性与表面边的相互作用产生噪声，例如旋转叶片上的流动产生的噪声。

使用计算的方法对噪声产生进行建模时，必须捕捉与声学分析相关的噪声源和频率，噪声源的分辨率取决于湍流建模的保真度，在噪声的模拟中主要有以下方法。

1.宽带噪声源模型

    在近场噪声预测中，宽带噪声源模型用于计算主要噪声源的位置和强度。在频率域中，宽带噪声具有连续的频谱，其中，声能在给定范围内的所有频率处连续分布。噪声源包含偶极源的表面分布（Curle模型）和四极源的体积分布（Proudman模型）。

2.Ffowcs Williams-Hawkings（FW-H）气动声学模型

    FW-H气动声学模型是基于积分公式预测远场声学，该模型可计算远场声信号，这些信号由CFD求解得出的近场流场数据扩展得到，目的是预测每个接收器位置处的小振幅声压波动。FW-H声学模型只用于预测自由空间中的声音传播，不包括声音反射、折射或材料改性等效果。FW-H模型是将连续性方程和动量方程精确地重新整理为不均匀波方程形式，即使在积分表面位于非线性流体区域中的情况下，FW-H方程的结果同样精确，其根据自由空间格林函数来计算接受器位置处的声压。

3.直接噪声模拟

    直接噪声模拟需要求解整个流场以进行全面的非稳态模拟，要计算空气动力生成的声学特性，需要记录点（探头）或表面上随时间变化的静压。直接噪声模拟需要高数字分辨率来捕捉声压扰动的空间和瞬态效应，在后处理中，可使用傅里叶变换 (FT)进行光谱分析。直接噪声模拟可以直接在CFD模型中预测靠近声音产生源的噪声级；但是，使用直接模拟来预测距离声源有一段距离的噪声成本高昂，此时建议使用FW-H气动声学模型。

风机噪声仿真流程

    风机噪声仿真的流程是一个系统而复杂的过程，它结合了计算流体动力学（CFD）和计算气动声学（CAA）的方法，以预测和分析风机在运行过程中产生的噪声。

1、前期准备

1）明确仿真目标：确定仿真的具体目标，如降低特定频率的噪声、优化风机结构以减少噪声等。

2）收集风机数据：获取风机的几何尺寸、转速、叶片数、材料属性等基本信息。如果有实验数据，如噪声频谱、声压级等，也应一并收集，以便后续验证仿真结果。

2、几何建模

1）创建几何模型：使用CAD软件或其他建模工具创建风机的几何模型。确保模型的准确性和完整性，包括叶片形状、轮毂、机壳等细节。

2）模型简化：在保证仿真精度的前提下，对模型进行适当简化，以减少计算量。例如，可以省略对噪声影响较小的细小结构。

3、网格划分

1）选择网格类型：根据风机结构和仿真需求选择合适的网格类型，如结构化网格、非结构化网格或混合网格。

2）划分网格：将几何模型划分成小的网格单元，以便进行数值计算。在叶片表面和流动梯度较大的区域，应加密网格以提高计算精度。

3）网格质量检查：检查网格质量，确保没有负体积、高歪斜度等问题，以保证仿真的稳定性和准确性。

4、CFD仿真

1）设置边界条件：根据实际情况设置入口风速、出口压力、壁面条件等边界条件。

2）选择求解器：选择合适的CFD求解器，如ANSYS Fluent、CFX、STAR-CCM+等，进行流场计算。

3)稳态计算：首先进行稳态计算，使流场达到稳定状态。这有助于快速评估风机的基本性能，并为后续瞬态计算提供初始条件。

4)瞬态计算：在稳态计算的基础上，进行瞬态计算以捕获流场的动态特性。这通常涉及到使用大涡模拟（LES）等高级湍流模型来模拟瞬态流动。

5、CAA仿真

1)声源识别：从CFD仿真结果中提取噪声源信息，如叶片上的动态载荷、湍流边界层等。

2)声学模型构建：根据噪声源信息构建声学模型，包括声源位置、声传播路径等。

3)声学计算：使用CAA求解器进行声学计算，得到风机噪声的声压分布、频谱特性等。

6、结果分析与优化

1)结果分析：分析仿真结果，包括声压级、频谱特性、指向性等，与实验数据或标准进行对比，评估仿真的准确性。

2)噪声源识别：识别主要的噪声源和传播路径，为优化设计提供依据。

3)优化设计：根据分析结果提出改进设计的建议，如改变叶片形状、增加隔音材料、优化机壳结构等。

风机气动噪声仿真案例

1.几何与网格

    对离心式风机建立了选择域和静止域，采用多面体网格进行了网格划分，由于气动噪声仿真需要捕捉细微的涡，因此要求网格细腻。

2.物理模型

    采用STAR-CCM+软件，建立了分离涡模拟结合FW-H远场声学模型物理连续体，用以计算风机的噪声。

    气动声学仿真的FW-H模型，即Ffowcs Williams-Hawkings模型，是一种广泛应用于预测由湍流和任意运动表面产生的声音的非齐次波动方程。该模型在气动声学领域具有重要的地位，特别是在处理风机、螺旋桨等旋转机械的气动噪声问题时表现出色。

FW-H模型本质上是一个非齐次波动方程，它可以通过连续性方程和Navier-Stokes方程推导得到。这个模型将声音的产生与传播过程分开考虑，使得人们能够分别处理流动求解和声学分析。FW-H模型适用范围广：FW-H模型能够预测由单极子、偶极子和四极子等等效声源所产生的声音，这些声源广泛存在于各种气动噪声问题中。计算精度高：通过求解FW-H方程，可以准确地计算出指定接收位置的声压或声信号的时间历程，从而得到噪声的频谱特性和声压分布等关键信息。灵活性强：在STAR-CCM+等仿真软件中，FW-H模型可以与多种流体动力学模型（如URANS、LES等）相结合，以适用于不同流动特性的气动噪声问题。

3.应用步骤

    在STAR-CCM+仿真软件中，使用FW-H模型进行气动噪声仿真的主要步骤包括：

1）生成时间精确的流动解：首先，需要求解流体动力学方程以获取流场中的压力、速度和密度等变量的时间精确解。这些解是后续计算声压信号的基础。

2）指定声源表面：在流场中选择合适的表面作为声源表面，这些表面上的流动变量将用于计算声压信号。

3）计算声压信号：利用FW-H方程和收集到的声源数据，计算指定接收器位置处的声压信号。

4.结果分析

    图是风机噪声仿真计算的声压波动，对接收器接收的压力波动进行傅里叶变换，可以得到声压与频率的关系。

拓展学习（本周五直播-风机气动噪声求解方案）

    流体仿真和声学仿真两位专家为我们带来基于Cradle和Actran的散热风扇气动噪声联合仿真案例，对气动噪声全流程解决方案进行讲解，并针对旋转机械噪声多种仿真方案进行对比。此外，还分享了scFLOW2Actran气动声学包案例，以及一种预测风扇噪声的新方法（偶极子环）。下方扫码预约。

• 直播内容聚焦

▶︎ 气动噪声全流程解决方案；

▶︎ 一种预测风扇噪声的新方法（偶极子环）；

▶︎ Actran旋转机械噪声多种仿真方案对比；

▶︎ scFLOW2Actran气动声学包案例分享。