CFD专栏丨轴流风扇噪声CFD仿真试验对标
试验装置描述
试验在德国埃尔朗根-纽伦堡大学的机械与系统工程研究所完成，测试规范依据ISO5801。
待测轴流风机安装在导管内，驱动电机安装在风扇下游。上游是一个内壁安装了吸声材料的风箱。风箱内部安装了一个整流装置确保风扇入口的风速和湍流强度保持均匀。通过风箱上游的管路内的蝶阀和辅助风机来控制不同的流量。
试验装置图
轴流风扇尺寸
7个B&K麦克风，间隔30°均匀布置在风扇中心上游1米半径的圆周面上。
噪声测点布置
风扇性能参数
轴流风扇入口
为了消除测试过程的随机误差，信号处理分别从5~8秒，10~13秒等时间片段采样。从7个麦克风位置的总声压级柱状图和平均声压级SPL曲线看，各个时间段采集的信号一致性较好。
7个麦克风位置采集的声谱图信号，表明噪声信号采样的一致性。
CFD仿真模型描述
CFD模型包含了风扇、风箱、导管和安装支架。导入虚拟麦克风的空间坐标文件（红点）。在风箱内壁面设置多孔介质区域，模拟声学无反射壁面条件。
前处理工具Virtual Wind Tunnel
在前处理模块中设置格子（Voxel）的逐层加密范围。由于采用的是CAA计算方法，声传播和流场是同步计算，虚拟麦克风所在的空间位置的格子分辨率<12mm，满足截断频率（mesh cut-off frequency ）的要求。虚拟风洞的来流风速为0，风扇从静止状态逐步达到额定转速，风量保持和试验一致。
CFD求解器ultraFluidX运行采用4块NVidia A100 80G NVlink显卡，可在2天内完成一个大模型瞬态工况的计算。
格子加密范围
风扇模型局部视图（从下游方向看过去）
仿真和试验对标
CFD仿真准确的捕捉了轴流风扇的BPF及其谐波，整体SPL曲线的形态和试验一致
噪声的指向性趋势和试验一致
7个麦克风的平均声压级绝对值误差约2.9dB
平均声压级曲线仿真和试验的对比
7个麦克风总声压级仿真和试验的对比
CFD结果分析
从涡量等值面图可见导管和叶片顶端的间隙内存在很强的翼尖涡, 这是SPL曲线上335Hz和500Hz峰值噪声(Tonal noise)的主要贡献者。叶片的前缘存在非定常的压力脉动，这是宽频噪声(broadband noise)的主要贡献者。
虽然在风扇上游没有扰动，来流均匀，但是观察到导管圆弧形进气口和轮毂近壁区的流动分离，扩展到下游并和叶片的转动产生了扰动。
从风扇的上游看，流场基本是对称的，涡量较强的区域主要集中在叶轮的外围。
中心对称截面的声压云图，可见声波在空间的传播过程。（可在后处理中将时域的声压结果转为频域的dbMap观察不同频段的能量分布）
总结
低压轴流风扇通常用于通风和冷却系统，除了风量、风压等气动性能外，气动噪声也是很重要的指标。
试验方法可以评估一款风扇的噪声水平，通常采用麦克风的声压级对标仿真精度。由于噪声和流场是密切相关的，工程师可以通过仿真方法深刻理解噪声产生的机理并对比不同的降噪措施。
ultraFluidX是基于LBM（格子玻尔兹曼算法）的流体求解器，数值耗散低，求解器精度高，非常适合高度瞬态的流场和气动噪声的计算，并且完全基于GPU并行，具有极高的计算效率。
