请收藏ANSYS Fluent电子风扇效能及噪音仿真攻略
- 作者优秀
- 优秀教师/意见领袖/博士学历/特邀专家/独家讲师
- 平台推荐
- 内容稀缺
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
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
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第三阶段瞬时计算(Transient Flow):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。![图片](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1637733888042_soq8km.jpg?imageView2/0)
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。![图片](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1637733891213_2pa8cd.jpg?imageView2/0)
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。![图片](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1637733887095_8pkwb0.jpg?imageView2/0)
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。![图片](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1637733896131_c5ra8h.jpg?imageView2/0)
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)。![图片](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1637733890166_0dd44a.jpg?imageView2/0)
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。![图片](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1637733893013_06tyam.jpg?imageView2/0)
![图片](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1637733888436_1r46pg.jpg?imageView2/0)
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。![图片](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1637733887552_diw8nr.jpg?imageView2/0)
![图片](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1637733886342_vu60hs.jpg?imageView2/0)
定义噪声源为转动壁面(Define Sources):![图片](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1637733897002_n4dihz.jpg?imageView2/0)
接着定义要放Speaker的位置,也就是要监控噪声的位置,这里建立两个噪声监控位置(Define Receivers),在风扇本体上下个0.1m处。定义时间步长。我们将要计算频率达20,000Hz的噪声问题,而我们知道频率为时间的倒数,因此一个声波行进距离为1/20,000Hz = 0.00005s,若要精准计算每个声波波长上网格点的数据,则至少要除以5,也就是DT = 0.00001s。实务上更复杂的问题,时间步长可能会更小。由于前面两个阶段我们已达成动态平衡,接下来风扇每转一圈对比于每转更多圈噪成的声压结果,理论上会一致,因此学习者只要确保你所要监控的位置在风扇转动一圈后,声压能够传递到即可。若监控的位置过远,你就需要让风扇转动更多圈,让波形能够传递到该位置。3600RPM → 60 rev./s → 1/60 s/rev. = 0.016666s (转动一圈需要的秒数)
Number of Time Steps = 0.016666s/0.00001s = 1667![图片](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1637733894678_76kjv6.jpg?imageView2/0)
![图片](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1637733891667_x2p5vx.jpg?imageView2/0)
![图片](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1637733890700_b59zkh.jpg?imageView2/0)
以上内容就是本次分享的全部内容,接下来带给大家笔者原创《ANSYS CFD从入门到精通》的精品课。
三、ANSYS CFD从入门到精通
通过一个月来的酝酿,笔者原创的精品课《ANSYS CFD从入门到精通》终于与大家见面了!旨在一个系列搞定 ANSYS CFD 建模设计、网格划分、从求解计算和后处理。以下是课程安排
![图片](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1637733893884_40x7kh.jpg?imageView2/0)
点击图片试看
1、您将学到
对Fluent 入门到精通,学完此系列后,从此可以自己搞仿真。
学习并理解流体仿真概念与基理
掌握前处理3D修模软件Spaceclaim高效处理技术
掌握Fluent Meshing流程化处理技术
掌握Fluent Meshing密闭几何流程划分多面体网格方法
学习传导、对流及热辐射用于仿真设置
掌握Fluent操作接口及使用技巧
掌握Fluent数值收敛控制技术
学习Fluent瞬时及瞬态仿真技巧
了解Fluent MRF旋转机械仿真操作流程
了解Fluent DO及MC(蒙地卡罗)热辐射模型
学习Fluent后处理专业技能
学习专用后处理软件CFD-Post技巧
- 赠送课程相关模型及资料,另外赠送答疑专栏服务和订阅用户群 交流,后续可围绕用户问题组织不定期的加餐
理工科院校机械类大学部及研究生
机械及传热工程师
流体机械工程师
ANSYS CFD软件学习和应用者
阿朱Simulation 中央大学机械工程博士,从事ANSYS CAE/CFD仿真计算十余年,担任过数个集团仿真团队技术顾问。针对流体及热流相关问题具备丰富客户与工业设计经验,熟知产业流体及散热议题,曾经手过50个以上的工程项目经验。
作者简介:阿朱Simulation 仿真秀优秀讲师声明:原创作品,首发仿真秀App,部分图片和内容源自网络,如有不当请联系我们,欢迎分享,禁止私自转载,转载请联系我们。 获赞 9750粉丝 21148文章 3411课程 215