冷却风扇气动噪声仿真分析

1 研究目的

本研究旨在使用计算流体力学（CFD）方法对风扇的气动噪声进行仿真分析，与试验结果对标，并提供详细的模型设置、计算方法和结果分析。

2 模型设置

2.1 几何模型

在本次仿真分析中，根据试验布置确定了计算所用的几何模型，试验所用模型和仿真所用模型对比如图1。

图1 试验模型和仿真几何模型对比

2.2 网格划分

网格划分过程中，将叶片和叶片后噪声区域进行加密，为了提高计算效率，采用多面体网格方式进行划分，模型共分为两个计算域，一是外部空气的静止域，二是风扇的旋转域，两个域通过网格交接面的方式进行连接，最终网格示意图如图2。

图2 网格示意图

2.3 边界条件

为了模拟真实的流体流动情况，我们选取的边界条件共分为四种，如表1。

表1 边界条件

2.4 流体属性

流体为空气，设置为理想气体，粘度采用萨瑟兰公式。

2.5 其他设置

计算共分为三个步骤，设置分别如下：

1) 稳态计算

稳态计算的目的是为第2）步的瞬态计算提供一个接近真实的初始结果，此时湍流模型采用k-w SST模型。

2) 瞬态计算

瞬态计算的目的是为第3）步的噪声计算提供一个稳定的瞬态流场结果，此时湍流模型采用LES大涡模拟模型，计算时间步长为0.0001s（取决于所需频率，计算到2000Hz，为1/2000/5，即一个周期至少包含5个时间步），计算过程中监控测试点的速度和压力值，计算直至速度和压力值收敛。

3) 噪声计算

噪声计算的目的是计算流场的噪声特性，此时湍流模型采用LES大涡模拟模型，激活FW-H噪声模型，计算时间步长为0.0001s，计算两个叶片旋转周期即可（取决于转速和时间步长）。

3 计算结果

3.1 收敛曲线

计算过程中风扇扭矩曲线和监测点速度变化曲线分别如图3和图4，可见计算已经收敛。

图3 风扇扭矩随时间变化曲线

图4 监测点速度随时间变化曲线

3.2 流体流动分析

风扇对称面的速度云图和涡量云图分别如图5和图6所示，可见风扇会引起空气的压力脉动，从而产生气动噪声。

风扇叶片的压力分布分别如图7和图8所示，可见吸力面将空气引入，最终从风扇后排出。

3.3 噪声分析

监控点设置在进风口前1m，其声压级随频率曲线如图9，1/3倍频程下的A计权声压级曲线如图10所示。

图9 声压级随频率曲线

图10 1/3倍频程下的A计权声压级曲线

总声压级计算如图11所示，为81.55dB，试验值为81.48dB，误差可忽略不计，精度满足要求。

图11 总声压级计算值

4 结论

本报告通过使用CFD方法对风扇的气动噪声进行仿真分析，得到了流体流动的分布情况和噪声分析结果，并与试验结果进行了对标，精度满足要求。

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