CFD专栏丨空调管路流动噪声LBM仿真
管路流动噪声的实验对标
实验对象是简单的L形风道，矩形截面 。设置有阀门和无阀门两种构型，实验段入口风速为匀速7.5m/s，风道内是充分发展的湍流。实验段上游采用变速风扇驱动气流，通过串联消声器降低风扇噪声。待测L形风道放置在消声室内。在风道内 7 个位置用 1/4 英寸传感器测量非定常壁面压力波动。使用 PIV 装置测量风道内时均流场结构。
实验装置原理图
实验段L形肘管尺寸
PIV实验
ultraFluidX仿真模型的时间步长Δt=8.4x10-7s，计算物理时间1.1秒，湍流模型为Smagrinsky LES。
LBM格子加密方式：管路和阀门内壁体贴加密8层0.5mm的格子，管路出口为1mm, 2mm，4mm……2^n格子尺寸过渡。
LBM模型的格子加密
LBM模型的格子加密
瞬态流场动画显示，由于流动惯性，在90°弯头内侧发生流动分离，阀门下游的低速区存在较为紊乱的流动，以及管路出口的高速喷流，这些高度非定常的流动区域是噪声的主要来源。
在HyperMesh CFD中将时域风压数据进行信号处理，可以看出管路出口的湍流风压，幅值大，以对流速度传播，通常被称作伪噪声（Pseudo Noise）。以及向远场传播的声学压，幅值小，以声速传播，并被远场麦克风记录。通过FFT处理，用户可以将特定频段的信号过滤，更直观的分析噪声的产生和传播。
PIV实验流场对比（有阀门）
实验和仿真均显示在阀门下游存在2个旋转方向相反的大漩涡，漩涡周期性脱落的频率约为80Hz。
管路流场（有阀门）
上图PIV实验，下图ultraFluidX仿真结果
声压级曲线实验对比（有阀门）
7个传感器均为嵌入式安装在管路内壁面，使其与表面平齐，没有突出或凸起，不影响流动。
上游测点的SPL曲线对标（有阀门）
红色-ultraFluidX，黑色-实验
下游测点的SPL曲线对标（有阀门）
红色-ultraFluidX，黑色-实验
没有阀门的阻挡，90°弯头内侧发生的流动分离一直延伸到出口，造成出口高度方向的明显速度差异。
管路瞬态流场（无阀门）
管路时间平均流场（无阀门）
PIV实验流场对比（无阀门）
管路流场（无阀门）
上图PIV实验，下图ultraFluidX仿真结果
声压级曲线实验对比（无阀门）
上游测点的SPL曲线对标（无阀门）
红色-ultraFluidX，黑色-实验
下游测点的SPL曲线对标（无阀门）
红色-ultraFluidX，黑色-实验
对比有（无）阀门的频谱曲线，可以看出在流量相同的情况下，有阀门管路的内部测点的SPL幅值约高20dBA。
工程应用：汽车空调系统噪声
空调风噪是空调系统在运行过程中，鼓风机送风后气流与风道相互作用产生的噪声。新能源电动车由于没有了发动机作为背景噪声，空调噪声成为了车内主要的噪声来源。按照噪声源类型可分为：风扇旋转噪声，其通常具有明显的峰值；以及混合箱，管路，格栅，舱内气流等引起的宽频噪声。
风量-大
风量-中
风量-小
绿色：系统噪声
红色：风扇噪声
风扇的旋转噪声BPF（Blade Passing Frequency）峰值通常是由于旋转叶片和固定件的动静干涉、入口的扰动、叶尖气流泄露等因素造成。在ultraFluidX求解器中可以用OverSet Mesh重叠网格来模拟叶轮真实转动。或采用虚拟风扇模型（Virtual Fan），仅需输入P-Q曲线，那么空气流量由系统阻力曲线和风扇P-Q曲线的交点确定。
HyperMesh CFD设置虚拟风扇
如下图所示的简化风道模型，上游无换热器的情况下，空气流量接近理论最大流量；上游增加换热器模型后，流量减少。
虚拟风扇模型计算HVAC风量
下图所示汽车空调实验状态下，开到大风量，人耳处的声压级SPL曲线。小于1000Hz噪声的主要贡献来自管路系统和声腔模态，1000Hz以上的峰值来自叶轮的BPF，其贡献量被宽频噪声所掩盖。
空调噪声的实验曲线
采用动网格Rotating Blower模型和虚拟风扇Virtual Fan模型均捕捉到了空调管路系统的宽频噪声。虽然，虚拟风扇模型的仿真SPL曲线丢失了叶轮的BPF峰值，但是计算代价只有动网格的1/10。
空调噪声的实验和仿真对比
下图显示ultraFluidX仿真单个出风口的声压dBMap云图，入口风速为5m/s。
通过HyperMesh CFD的信号处理工具，将原始CFD时域结果转为100~2000Hz频段的噪声风压脉动。
下图显示ultraFluidX仿真汽车空调箱的风速云图，叶轮采用虚拟风扇P-Q曲线，格子总数3.5亿，物理时间1.8秒，采用4张A100显卡计算约5小时。
将原始CFD时域结果转为100~2000Hz频段的噪声风压脉动。出风口附近为湍流压力脉动区域，幅值大，噪声信号以风速传播（伪噪声）。远场区域的声学压幅值小，以声速传播。
100~2000Hz, (BFPA) Band Filtered Pressure Animation
水平切面的声压云图dBMap
空调出风口的Vortex Core等值面
空调出风口的lamda2等值面图
空调噪声仿真总结
关键区域：保留风道、出风口、格栅等气流路径的几何细节，LBM建模无须几何简化。
噪声算法：近场噪声采用CAA计算声学法，远场传播采用FW-H模型。
格子加密：最高频率决定最密格子尺寸，一个波长内至少15个格子。
数据采样：保存流场数据频率需满足奈奎斯特采样定理（至少2倍于目标最高频率）。
计算时长：总时长覆盖5个以上低频噪声周期。
优化策略：避免急转弯，采用渐扩/渐缩截面减少流动分离。
流量和噪声的关系：整体声压级（OASPL）与流量呈 6 - 7 次方幂律关系。
实验对标的不确定性：体积流量测量不确定性约 3%，导致噪声测量不确定性约 1dB。麦克风位置、几何细节等因素会额外引入 1 - 2dB 变化，出风口格栅角度难以控制和测量，可能使流量分配变化达 10%，导致噪声测量潜在误差增加 4 - 5dB。在 200 - 3000Hz 频段，乘员舱空调噪声是直达噪声和衍射噪声的混合，需考虑内饰吸声材料的影响。
本期的空调管路流动噪声LBM仿真分享就到这里啦，下一期我们将分享更多实用功能，敬请期待。
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