Fluent旋转机械工程仿真，从管道风扇气动噪声分析开始

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导读：大家好，我是仿真秀专栏作者杨仿君，6年流体从业经验，硕士学历，擅长流体基础流动、换热、旋转机械、多相流、组分输运、动网格和UDF等方向。我做过飞翼布局飞机isight气动优化、轿车阻力仿真、双层住宅自然通风仿真、离心泵空化和冲蚀分析、风扇（螺旋桨）气动噪声仿真、风力发电机功率仿真、旋转机械多域网格划分方法、小船阻力仿真、城市污染物扩散和扑翼机仿真分析等。本文是笔者基于Fluent管道风扇气动噪声分析过程，希望对旋转机械学习者有所帮助。

一、风扇流场分析

1、案例介绍

风扇可以用于发动机的冷却等很多场景，合理的风扇设计将极大地提高风扇的效率，但由于管道风扇内部流动非常复杂，通过理论计算对其流动进行定性分析十分困难，风洞试验虽然可以得到其流动参数和噪声特性，但也无法对流场内部的流动细节进行描述。本案例演示如何利用Fluent进行风扇流动特性和噪声特性计算。

2、几何建模和流场计算域建立

本案例风扇外径为384mm，轮毂直径为140mm，轮毂比为0.365，8扇叶均匀分布，外流场建模充分考虑到进气试验标准，入口区长度至少为入口处管道直径的六倍；而出口区的长度则应保证至少为出口位置管道直径的十倍；至于旋转流体区，是指包含了风扇本体以及周围流场的圆柱体区域，应当保证其尺寸尽量靠近风扇叶片的直径，最终风扇模型和外流场模型分别如下图所示。

3、模型网格的划分

网格生成作为仿真计算中的关键环节，其结果直接控制了后续计算过程的效率与精度。为了保证划分结果的质量，应选择合适的网格尺寸，防止太疏或太密的网格产生，在流量梯度较大的流动区域内，应当尽量提高网格质量（高细密度，较小的歪斜度）；至于梯度小的区域可以在保证精度的基础上适当较少网格数目。

本案例旋转流体区由于包含了风扇本体且流动情况最为复杂，为了保证足够的计算精度，该区域网格尺寸最小。管道区网格尺寸较旋转区略大，最终划分结果如下图。

4、边界条件设定与旋转模型选取

完成网格生成后需进行边界条件的设置。在流动的计算过程需要设定的边界条件包括：

（1）流动入口条件：根据吸气试验的要求将流动入口设置为压力边界条件，其中入口处压值定义为大气压力，且气体沿轴线方向流动；

（2）流动出口条件：根据吸气试验的要求将流动入口设置为压力边界条件，出口压力值定义为 0，即出口处没有外界的作用；

（3）壁面边界条件：主要为通流区的管壁表面。

对风扇旋转运动的仿真则是通过 MRF 模型来实现的。Fluent 中常用的多运动坐标系模型包括：SMM（滑移网格模型）,MPM(混合面模型)以及 MRF（多重参考系模型）。考虑到风扇中气体运动属于定常流动，所以选择计算量相对较少的 MRF 基准。

作为旋转机械仿真中最常使用的模型，MRF 模型计算思路在于：将算法区间分成数个运动相互独立的子区间，先在各子部分间对流场方程进行求解，通过各部分间的交界面完成流场信息的传递。

作为 CFD 模型中唯一运动的旋转流体域，将其边界条件设定为 Fluid（流动域）。在 Fluent 软件中选择 MRF，并且将风机转速定义为坐标系的转速。

5、计算方程选择与仿真参数设置

对于风扇内部的稳态流动，采用定常计算模型进行仿真，且计算过程中不考虑重力的影响。利用 SIMPLE 方程完成速度与压力的解耦，将湍流模型定义为 RNG k-ε 的双方程模型。

在 Fluent 软件对参数进行设定时，根据实际工况将流体材料定义为空气且认为风扇内部流体不可压缩；由于流动过程中没有热能的交换所以不对能量守恒方程进行求解，只考虑流体连续方程以及动量方程。对于控制方程中的湍动能耗散项以及动量项等使用二阶迎风的离散格式，在迭代过程中使用欠松驰因子以加速收敛。

6、风扇流场计算结果分析

用Fluent软件对转速为2000rpm的风扇进行计算，得到包括速度矢量图、压力云图结果如下所示。

二、风扇气动噪声分析

1、噪声分析步骤

在 Fluent 中对于风机噪声的仿真是分为两个部分先后完成的：

（1）首先使用大涡模拟模型（LES）对风扇流场中的瞬态控制方程求解获得流场的动态稳定值，通过计算结果得到风扇的噪声源（即风扇叶片上的动态载荷）；

（2）接下来则是通过求解 FW-H 模型的方法对风机载荷进行分析并得到噪声值。

2、瞬态流场仿真边界条件设定

声场仿真过程中由于其 CFD 模型与流场极为相似因此不再另行建立模型，而是对原有流场模型的边界条件进行修改。由于噪声特性的仿真属于非定常计算，虽然同样将旋转流体域设为唯一的运动区域，但是改用滑移网格模型对风扇的动叶片与静止区域进行耦合以保证瞬态计算的精确度。

在控制方程的离散过程中使用PISO 算法代替原来的 SIMPLE 方法，相比较而言 PISO 算法在原有“预测-修正”方法的基础上添加了一个再修正过程，对原有计算结果进行了二次改进，有效的提高了计算精度与方程的收敛速度。至于迭代过程中参数的设置，将时间步长设定为0.0001s，而计算的截止频率取 6000Hz，在每个时间步长内计算 40 次，迭代次数为 1000。

3、气动噪声边界条件设定与后处理

将2.2节中的计算结果与 FW-H 方程相结合在叶片表面使用二重积分获得随需要的声压值信号，在进行噪声参数设定时，以风扇本体为噪声源，而监测点则按照 GB/T2888-2008《风机和罗茨鼓风机噪声测量方法》中的规定设置，取风机前 1m 处噪声结果作为分析。

最终可以得到1m处噪声值计算结果为78dB(A)，完成声场计算过程后得到的数据是时域信号，还需使用Fluent 软件后处理功能中的快速傅立叶变换模块（FFT）完成时频转换获得声压级频谱图，如下所示。

三、Fluent在旋转机械中的应用

1、旋转机械介绍

旋转机械指的是可以回转或旋转的机械设备，例如发电机、风力涡轮机、汽车引擎、工业机械等等。这些机械设备通过旋转运动来产生能量、驱动机械部件或执行各种功能。旋转机械广泛应用于工业、交通、能源等领域。

2、旋转机械中的应用

除了上文气动噪声计算外，Fluent软件提供了丰富的可以用于旋转机械的模型，来进行旋转机械产品的流体力学分析和优化，包括参考系模型、滑移网格模型、动网格模型、动网格和重叠网格模型，一些典型的案例包括：风浪条件下海上风力发电机功率分析，通过优化风机间距等使风机效率达到最高；船用螺旋桨、飞机用螺旋桨、飞机用涵道涡轮等部件设计；离心泵空化特性与颗粒磨损特性分析；齿轮泵动态流场模拟......