风扇噪声分类及PowerFLOW噪声仿真分析

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按照风扇结构和流动情况，风扇噪声主要可以分成以下四类：来流噪声、翼型噪声、端壁噪声、叶尖噪声，如图1所示。

图1：风扇噪声类型

A-来流噪声（Inflow Noise）：风扇在旋转过程中，自身会对上流流体产生一个螺旋的作用力，使得来流不均匀性提高。风机上游格栅等部件也会显著提高来流不均匀性。

B-翼型噪声（Airfiol Noise）：风扇叶片周向截面就是一个翼型，而风机本质上就是一个不停的旋转的机翼。这样扇叶的噪声产生机理就理所应当可以参照翼型噪声机理。翼型噪声比较复杂，主要分成壁面边界层噪声、分离噪声、尾缘噪声，近两年也有研究人员提出前缘噪声。

C-端壁噪声（Endwall Noise）：靠近风扇轮毂壁面，受到表面摩擦力作用流体会有明显的速度梯度。壁面附近的流体遇到叶片前缘后，分别在叶片的压力面和吸力面形成两股漩涡，从而转化为噪声激励。

D-叶尖噪声（Tip-clearance Noise）：旋转和扇叶和静止导风圈之间存在间隙。风机旋转过程中，高速流体穿过间隙，并在叶片吸力面附近形成流动分离。间隙中高流速流体会激发强烈的漩涡强度，在声学频谱上往往会导致整个宽频噪声显著升高。

噪声实验

2020年Kaiserslautern大学发表了这款风机叶轮和蜗壳搭配的仿真和测试结果比对，下图所示为测试装置示意图和测试环境。我没有搞清楚为什么蜗壳部件为什么是打印件，而不是EBM的配套产品。而且采用透明壳体感觉没有必要。

图4：性能曲线

噪声仿真

进入仿真建模。PowerFLOW 自带数字消声室，因此只需要打开通用模板将风扇部件导入设置即可。图中蓝色图框spongezones 就是仿真模型中的吸声海绵。

图5：PowerFLOW数字消声室

接下来设置求解精度，本次模型网格精度最小为0.2mm。网格总数460M，总共计算风扇旋转43圈约0.7s。感觉网格数量过多，计算时间过长，因此需要花费非常多计算资源，估计也只有教育版客户才能这样大手笔。详细的模型网格尺寸分布如下：
-叶片壁面：0.2mm
-风扇旋转区域：0.4mm
-蜗壳壁面：0.8mm
-蜗壳区域：1.6mm

图6：网格尺寸分布

不同流量系数（0.7; 1.0; 1.2; 1.7）仿真和测试频谱分析对比如下图所示。各个流量系数下宽频和BPF声压级分布和量级几乎一致。

声学分析

风扇频谱分布上显示250Hz~500Hz位置存在一个驼峰分布，而且驼峰分布和流量和转速关系不大，因此可以推断为测试装置的驻波，或者可以高大上的描述为测试装置声腔模态。频谱分布也显示这种风扇蜗壳会存在非常明显的BPF声品质问题。

图7：仿真和测试频谱分布对比

下面这张图显示总声压级，BPF噪声和风机流量的关系。设计点风扇总噪声和BPF都是最小的，偏设计工况下对应噪声会上升约5dB，说明叶片和蜗壳匹配还是非常不错的。另外一点非常有意思：大流量下BPF声压级对总噪声的贡献度比较大，因此大流量下当前风机声品质比较差。

图8：仿真和测试总声压级和BPF对比

流场分析

不同流量下风机截面涡量分布如下。其中小流量0.7工况叶片流道内气流分离较强，导致整个流道内漩涡广泛分布，反应在频谱上是宽频噪声的贡献较高。设计流量1.0和较大流量1.2下叶片尾缘漩涡分布较强，漩涡主要集中在叶轮出口位置。大流量下漩涡分布除了在叶片流道内，还在叶片进口和涡舌位置，因此抑制大流量的噪声需要在进口和涡舌上下功夫。

图9：叶轮截面涡量分布

PowerFLOW基于VLES算法可以准确显示三维瞬态漩涡分布，下图中显示了设计流量1.0工况漩涡主要分布在叶片前缘和导风圈间隙回流位置。工程设计可以更改前缘叶片角度降低漩涡强度。

图10：设计工况三维漩涡分布

大流量1.7工况漩涡分布如下图，值得注意大流量下导风圈间隙位置和涡舌区域漩涡分布非常集中。可以匹配更大的蜗壳来降低涡舌区域漩涡强度。

图11：大流量工况1.7三维漩涡分布

针对频谱中BPF噪声源强度，PowerFLOW强大的噪声后处理工具PowerAcosutics可以计算BPF噪声源在叶轮和蜗壳上的能量分布。下图显示小流量0.7，设计点流量1.0和较大流量1.2工况BPF噪声源主要集中在叶片表面和涡舌附近，但是小流量BPF噪声源强度要高于设计流量和较大流量。大流量1.7结果显示BPF噪声源能量主要集中在涡舌位置，与叶轮表面关系不大。