139 离心风机气动噪声仿真研究论文0503(1)

离心离心风风机气机气动动噪声噪声CFDCFD仿真研究仿真研究 陈静 严旭 游典 长安汽车股份有限公司汽车工程研究总院 重庆 401120 摘要摘要 本文研究了离心风机的气动噪声仿真分析 流场计算稳定后进行瞬 态分析 计算出的风量与实测值相误差为0 6 瞬态计算的总声压级与实测值相 差2dB 根据仿真结果做了多种优化方案 通过优化方案结果的横向对比 最终 选取了两个方案进行实物测试 其中一个样件在基频段有明显改善 关关键词键词 离心风机 气动噪声 FWH方程 Research of CFD Simulation of Centrifugal Blower Aerodynamic noise Prediction Jing Chen Xu Yan Dian You Chongqing Changan Auto R D Center Changan Automobile Co Ltd Chongqing 401120 ABSTRACT The article studies CFD simulation of Centrifugal Blower aerodynamic The flow is steady simulation and then doing unsteady simulation Through this method the deviation between the simulated massflow and the test massflow is 0 6 and the overall sound pressure level is 2dB between simulation and test According to the simulation some optimization project is made By means of transverse contrast of the optimization projects the two projects are chosen and had been tested One of them is improved clearly on the fundamental frequency KEYWORDS centrifugal blower aerodynamic noise FWH function 1 1 前言前言 离心风机作为汽车工业领域的重要散热设备 其产生的气动气动噪声成为 影响车内NVH品质的关键因素之一 在项目前期对离心风机进行仿真分析评估 气动噪声风险对汽车开发非常重要 本文旨在探索离心风机的气动噪声仿真分 析方法及优化思路 为后期带离心风机的HVAC总成降噪提供基础 离心风机的气动气动噪声包括旋转气动噪声和涡流气动噪声 其中旋转气 动噪声是由叶轮上的叶片打击周围空气 引起气体的压力脉动产生的 而涡流气 动噪声是由于紊流边界层及其脱离引起气流压力脉动造成的气动噪声 离心风 机作为一相对封闭的腔体 蜗壳对声音有反射作用 非自由场 因此气动噪声较 难算准 2 2 仿真分析仿真分析 图1为所研究的离心风机的几何示意图 主要包括叶轮 蜗壳和调速模块 为 了便于进出口边界条件的设定 以及更好的模拟真实边界条件 并加快计算的收 敛 将进出口段分别沿各自方向延长一段 图2 计算域由2部分组成 叶轮的旋 转域以及蜗壳 进出口段组成的静止域 旋转域与静止域之间采用interface连接 在Interface上 两部分流场的物理参数 如压力 流速等 是相等的 对于定常稳态 计算 采用参考运动坐标系进行处理 对于非定常计算 采用滑移网格计算 将叶 轮内的流体设置为可旋转运动的介质 以叶轮的中心轴为轴线旋转 图1 离心风机 图2 计算模型 2 12 1 网格网格设设置置 旋转域是声能量的主要产生源 而且瞬态计算时采用滑移网格的方法进行 处理 旋转域以圆柱形式包裹叶轮 圆柱直径比叶轮直径大2mm 采用STAR CCM 软件进行trim网格创建 wall y 控制在5以内 网格过渡最小化 体网格为1700万 网格尺寸设置见表1 图3 网格尺寸剖面图 表1 网格尺寸设置表 网格尺寸设置 Cell size0 5mmRotate region 过渡段1mm Cell size2mmstatic region Prism layer0 5mm 3layer Max cell size2mm 2 22 2 物理模型物理模型 本文考虑采用Aeroacoustics的声源法进行气动噪声计算 各项物理模型参数 设置见表3 声源法将叶轮和蜗壳作为声源 稳态计算流场后 瞬态中采用ALL y 壁面函数以及Detached Eddy SST Menter K Omega Deatched Eddy分离涡模型 瞬态计算过程中各时刻产生的声音信息以自由辐射的方式传 递到接收点 从而得到监测点的频谱 基于FWH方程和它的积分解 FHW方程是 对Lighthill声学模型的改进 能够模拟像单极子 偶极子 四极子这样的等价声源 产生的噪声 适用于中场和远场噪声 这种模型需要求解瞬态流场 然后根据获 得的时变压力求解噪声处理 瞬态计算的物理模型参数详见表2 表2 物理模型参数 项目参数 转速 3100rpm 频率 5000HZ t10e 4S 内迭代步数20步 总计算时长 1S 2 32 3 计计算算结结果果 通过这种方法计算出的风量与实测值相的误差为0 6 瞬态计算的总声压级 与实测值相差2dB 图4为离心风机内部流场压力云图 可以明显看出来 在蜗舌 处有剧烈的压力波动 表面蜗舌附近的流场可能产生较大的噪声 蜗壳出口的内 缩段也有一定的压力波动 可能产生气动噪声 因此将蜗壳和蜗壳出口的内缩段 锁定为降噪的位置之一 同时 叶片的压力面和吸力面也是主要噪声源之一 从 旋转气动噪声和涡流气动噪声两方面来优化 图4 离心风机压力云图 2 42 4 优优化方案化方案 根据初始状态的计算结果提出以下几个优化方案 见表3 表3 风机优化方案列表 蜗壳间距 叶片角度 初始初始 初始左转15度 初始右转15度 蜗舌加大初始 蜗舌加大左转15度 蜗舌加大右转15度 蜗舌加大并拉直初始 蜗舌加大并拉直左转15度 蜗舌加大并拉直右转15度 采用相同的方法对以上所有优化方案进行计算 结果见表4 表4 优化方案的计算结果 方案蜗壳间距叶片角度稳态计算出风量 SPL 扭矩 初始初始 176 868153 2 0 054829982 一初始左转15度 162 037448 50 044496375 二初始右转15度 188 141949 9 0 066763035 三蜗舌加大初始 170 846551 3 0 05617408 四蜗舌加大左转15度 155 868351 30 045437645 五蜗舌加大右转15度 182 086950 7 0 068099224 六蜗舌加大并拉直初始 173 862250 70 061155264 七蜗舌加大并拉直左转15度 160 423950 10 049610908 八蜗舌加大并拉直右转15度 178 314552 60 082529245 九蜗壳加大并斜向初始 177 13150 90 058185395 方案二和方案六在蜗舌处的压力波动均有降低 改善明显 结合瞬态仿真结 果来看 方案二和方案六效果最佳 因此选取这两个方案制作样件来进行气动噪 声测试 气动噪声测试前需对各个状态的风机进行风量标定 图5 方案二 图6 方案六 为保证3个样件在相同流量下进行气动噪声测试 对基础件3100rpm测出风量 再对优化件进行风量标定 基础件为1 件 方案二为2 件 方案六为3 件 风量 标定后进行NVH测试 分别在距离鼓风机电机侧和叶轮侧1m处各布置一个麦克 风 测试结果见表5 表5 离心风机NVH实测结果 叶叶轮侧轮侧1mSPL dB A 1 样样件件2 样样件件3 样样件件 同流量 54 2 54 4 53 9 实测频谱曲线见图7 图7 离心风机的频谱曲线 从曲线来看 2 样件在基频处有明显降低 频谱有所优化 总声压级无变化 3 样件基频的尖峰有所前移 总声压级变化不大 值得注意的是 优化样件采用 尼龙粉末 玻纤成分的材料3D打印而成 材料相对易脆 3 样件在风量标定时 蜗壳出口段不慎出现裂痕 对气动噪声测试可能存在影响 3 3 结论结论 本文研究了采用分离涡模拟方法和FWH方程模拟计算汽车某离心风机的非 定常流动及气动气动噪声 采用精细的网格 可以得到较准确的总声压级 在优 化降噪的分析过程中 可以通过早期稳态计算流场结果的压力波动云图和速度 云图来锁定声源的主要贡献区域 再通过瞬态总声压级和