请收藏ANSYS Fluent电子风扇效能及噪音仿真攻略

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作者优秀: 优秀教师/意见领袖/博士学历/特邀专家/独家讲师
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6月前浏览12272

导读：大家好，我是阿朱Simulation，刚刚成为了一名仿真秀专栏作者，这也是我第一篇仿真科普文章。本文介绍如何利用ANSYS Fluent进行电子风扇效能及噪音的仿真，关键技术已显示在流程中，按照本案例流程，可顺利且有效进行风扇流体仿真，如有不当欢迎大家批评指正（文末尾点赞、在看和分享，赠送一個与本文无关的噪聲分析案例，包含文檔跟模型，清请联系仿真小助手领取）。

与此同时，我也在仿真秀平台发布了第一套《ANSYS CFD从入门到精通教程》（见后文）。我不仅陆续续提供CFD基础及进阶课程，同时罗列更多产品应用的案例供学习。并建立订阅用户交流群，所有付费课程附赠答疑专栏服务（可私问或公开向我问题）。以下是正文：

电子产品中风扇占据一个重要的散热角色，尤其电子风扇之可靠度要求倍增，消费者无法接受经常性地更换风扇，且电子风扇供货商也无法承受此成本的提升，更无法承受市场上面临淘汰的困境，所以对电子风扇的设计往往将通过仿真进行前期开发。

本案例模型藉由产品的要求及自身未来的发展，进行了仿真分析与验证。主要着重在单体风扇设计，从叶形设计到CFD的性能特征预测，及后段的噪音评估等，都是产品设计的指标。本文内容包含了风扇性能曲线及噪音的分析流程。

一、电子风扇性能曲线分析

本例模型采用如上Blower风扇。

ANSYS Fluent做噪声仿真属于瞬态仿真(Transient)流程(细节后面将描述)，需注意下列工况及流程：

转速：3600 rpm
网格数：1,662,569个

第一阶段：稳态计算(Steady Flow)：

k-omega SST紊流模式
计算1000 iterations
Broadband Noise Model

第二阶段瞬时计算(Transient Flow)：從MRF改成Mesh Motion

LES紊流模式(Large Eddy Simulation)
计算500 time step (60 iterations/ time step )到动态稳定

第三阶段瞬时计算(Transient Flow)：

LES紊流模式(Large Eddy Simulation)
计算500 time step (60 iterations/ time step )撷取声压随时间之变化数据
FW-H Noise Model

通过Fluent Mesh制作Interface

若用户想采流程化Fluent Mesh来建立网格，因New Fluent Mesh还不直接支持Interface的边界条件，因此学习者可把MRF旋转流体区及周围其它计算域分两次制作网格(耗费时间差不多)，之后再于Fluent中进行Domain/Append/Append Case File(可读入*.msh)。

要建立一个可与风洞相比拟的环境，我们首先就要将模型处理成风洞的实验状态，如下。我们把风扇出口的风道管给建立出，再将周围适当的空气域包覆整个主要器件。

接着将MRF 旋转区及周围空气区做Mesh Interfaces，将共面位置给连接起。

第一阶段计算稳态：计算噪声不应直接从瞬态进行，因在瞬态抽取噪声数据前，要达稳定需要一段时间；因此我们要采先进行稳态计算，可快速先达到稳态平衡。默认动量计算采k-omega SST。

空气密度部份，若气动速度非常快，例如转速8000RPM或甚至超过上万RPM等，我们要考虑采Incompressible-idea-gas，其余工况下可采Constant。

转速及转轴设置部份，在旋转流体区勾选Frame Motion，设置Rotational Velocity=3600 rev/min(RPM)；Rotation-Axis Direction设置的是风扇转动方向，采右手定则，姆指为轴心，其余四指为叶片转动方向。

边界条件设置，模型有两个主要边界，一个是风道出口，一个是周围环境。实务上，在风道出口是接入风洞腔体中，由风洞来控制出口压力；因此在Fluent软件也是类似操作，入口是自由一大气压边界，而关键是控制出口的压力变化。出口压力上升，通过风扇的流量就会降低，便可形成风扇性能区线(P-Q Curve)。

第二阶段动态稳定平衡：此阶段涉及到噪声，因此风扇必须转动，我们由此切换设置为Mesh Motion。因要计算噪声涡损，改以瞬态模型做计算，并切换为LES紊流模式(Large Eddy Simulation)，当达到动态压力持续稳定后，才进入第三阶段。

二、电子风扇噪音的分析流程

第三阶段FWH计算噪声：计算噪声前，我们要知道所要计算噪声的频率到什么范围。人耳一般能听到的频率在20,000Hz，而高频率如蝙蝠所能听到的频率落在100,000Hz；一般采用无响室测试规范，频率范围约采在20~50,000Hz。

CFD中仿真移动件的压力与速度波动通常是近场(near field)噪音，而近场位置通常会最大的噪音发生之处，大多数CFD应用中只要将计算域延伸将可进行近场分析与预测，远场距离对象一段距离，通常会在CFD计算域以外，而近场的压力与速度波动为决定远场噪音的重要因素，这些波动将成为远场噪音预测的声源。

ANSYS Fluent要计算完整噪声采用FWH, Ffowcs Williams & Hawkings model

通过FWH模型计算噪声需要特别注意网格密度及质量，我们可以知道一个声波的波长尺度，从声波波长大小要去控制网格密度。从理论来探讨，一般最少在一个波长中至少要有5个网格点，计算越高频噪声所需要的网格点通常一个波长范围会高达20个，这也是造成噪声计算量特别大的一个原因；同样地，若不精准控制波长区间网格数，准确性就会明显下降。