海基科技-常见气动声学案例

1、以专业产品助力工程研发，以真诚服务提升创新能力常见气动声学案例海基科技 白长安2014.12TELE-mail：目录 常见气动声学问题浅析 气动声学仿真案例 出风口喷流噪声案例 冷却风扇声学案例 管道声学案例 压缩机排气消音腔声学案例 电机电磁噪声案例 Actran在气动声学方面的优势 海基科技的技术团队2常见气动声学问题出风口噪声声源预测气动最优冷却风扇噪声冷却风扇的噪声源噪声的传播 管道噪声管道紊流隔声减噪降噪 压缩机噪声 紊流造成的气动声源 传入舱内的噪声 电机电磁噪声 电磁造成的气动声源 传入舱内的噪声Flow directionInlet surfaceOu

2、tlet surface目录 常见气动声学问题浅析 气动声学仿真案例 出风口喷流噪声案例 冷却风扇声学案例 管道声学案例 压缩机排气消音腔声学案例 电机电磁噪声案例 Actran在气动声学方面的优势 海基科技的技术团队4 空调系统的作用舒适性(制热,制冷,通风) 安全性(除雾) 实验仿真对比分析相关案例：管道噪声分析Experimental Set-UpCFD Results - FluentACTRAN Results415 mm906 mmA better agreement could be reached : A longer CFD input would provide a bet

3、ter frequency resolution, A finer CFD mesh would increase the accuracy of the levels (current = 600k FV)相关案例：相关案例：管道噪声分析管道噪声分析相关案例：格栅对气动影响相关案例：格栅对气动影响 声能主要集中在低频 低频声能在喷流区域，而高频声能产生于格栅区域。出风口声学计算-项目背景 受汽车发动机舱仪表板处空间限制，设计七种不同尺度的空调出风口模型，通过计算分析，找出气动噪声最优设计方案CFD计算 解决思路某种工况速度云图CFD仿真模型声学计算结果05101520253035404550

4、ML-3ML-2ML-1ML+0ML+1ML+2ML+3point 1处OSPL/dB(A)监测点声源分布-150Hz目录 常见气动声学问题浅析 气动声学仿真案例 出风口喷流噪声案例 冷却风扇声学案例 管道声学案例 压缩机排气消音腔声学案例 电机电磁噪声案例 Actran在气动声学方面的优势 海基科技的技术团队12研究背景研究背景 St为斯特劳哈数，U为气流速度； L为特征长度ACTRAN风机计算流程 冷却风扇噪声 混合方法: 流体用CFD计算, 风扇噪声用ACTRAN计算(1) 使用声类比方法 嵌入式iCFD工具将CFD结果映射到声学网格 对风扇噪声和宽带噪声的预测(2) 优点 预测方法：经

5、过精确的验证 效率：比单纯使用CFD软件进行声学计算速度更快 与大多数CFD软件有接口 远场声传播: 通过噪声 与振动声学耦合计算: 壳体设计 (2)(1)15 气动噪声分析步骤建立CFD分析模型，提取非定常流场；建立ACTRAN声学分析模型；利用ACTRAN/iCFD技术，将CFD基本量利用lighthill声类比方法转换为气动噪声源，并使用积分法插值入声学网格；利用ACTRAN/iCFD技术对声源进行傅里叶变换，将时域信号转换为频域信号；计算风扇引起的气动噪声声传播。ACTRANACTRAN气动噪声计算标准流程气动噪声计算标准流程16散热风扇噪声分析流程 研究对象为4叶片大型轴流风机，安装

6、于管道内，尺寸如图所示，CFD区域分为旋转区域和静止坐标系区域 声学计算结果声场辐射云图声场辐射云图频域声源云图频域声源云图时域声源云图时域声源云图17散热风扇噪声分析流程 预测不同声源的贡献量 预测远场声学指向性18离心风机气动噪声计算分析 研究对象 研究对象为10叶片离心风机，如图所示，CFD区域分为旋转区域和静止坐标系区域静止区域旋转区域叶轮前盘后盘19离心风机气动噪声计算分析 CFD计算模型 网格尺寸5mm-15mm，共生成92万四面体网格 计算工况 转速：2960r/min 空气流量：4000m3/h 压头：1900-2000Pa 叶轮通过频率：493Hz计算域加长静止区域网格旋转区

7、域网格20离心风机气动噪声计算分析 CFD计算结果 进出口压头：1863Pa叶轮表面压力分布叶轮表面压力分布流线分布流线分布21离心风机气动噪声计算分析 CFD计算结果切片：X=-0.08湍流动能分布湍流动能分布22离心风机气动噪声计算分析整个CAA计算域分为三部分，Lighthill Surface面声源域Lighthill Volume体声源域声传播域，设置监测点预测声学响应以及声压级指向性等23测点布置共布置四个测点，与各出口边中心点成45，距离为1m离心风机气动噪声计算分析离心风机气动噪声计算分析point1point4point3point224离心风机气动噪声计算分析 声学计算结果

8、叶频：495Hz二次谐波：976Hz极值：1140Hz25声学计算结果得到不同声源的贡献量，面声源贡献较大，即主要的声源区为旋转区域离心风机气动噪声计算分析离心风机气动噪声计算分析不同声源贡献分析不同声源贡献分析-Point1Fan Noise 2007: Presentation of a CAA formulation based on Lighthills analogy for fan noise - S. Caro, Y. Nishio, R.Sandboge, J. Iyer相关案例：离心风机噪声分析相关案例：离心风机噪声分析不同的热交换机不同的传声器; 标准测试= 测试结果取平均

9、值AIAA 2006-2692: Validation of a CAA formulation based on Lighthills Analogy using AcuSolve and Actran/LA on an Idealized Automotive HVAC Blower and on an axial fan - S. Caro, R.Sandboge, R. Ambs, K. Washburn相关案例：相关案例：轴流风扇噪声分析轴流风扇噪声分析离心风机噪声 Fabien Vieuille等人运用CFD耦合专业声学软件Actran的方法对离心风机噪声进行了研究，流场仿真中包括

10、两个域，旋转区域和静止区域，分别用Lighthill体声源和面生源的方式进行声场计算，提取风机外部某点声压级频谱曲线计算结果和试验数值对比，结果较为符合。离心风机噪声 几何特征 风机叶片数: 12 旋转速度: 2 000 r/min BPF : 400 Hz (to observe in acoustic spectrum) CFD 定义 运动/静止网格区域 CAA 定义 CAA声源区的选取基于CFD域 材料属性: 标准空气 管道内部设置虚拟麦克风CAA MeshFlow directionInlet surfaceOutlet surface Actran气动噪声分析 只对静止坐标系流体区域

11、建模 静止区域与运动区域交界面为运动区域声源加载面 模态面控制管道内部自由声辐射 采用二阶四面体网格单元，可分析最大频率为2000HzFinite FluidMicrophoneModal Base of Rectangular DuctBuffer domainLighthill SurfaceLighthill VolumeVolume DefinitionBoundary ConditionsCAA domain离心风机噪声 统计经过出口面的声功率 对不同声源贡献进行对比分析 主要噪声源是lighthill surface，即旋转区域内的流体产生的 大多数气动声源集中在叶片附近离心风机噪

12、声 在气动噪声分析模型基础上进行气动-振动耦合分析 管道用真实结构单元代替 在管道周围建立流体域，用以计算振动壳体的声辐射以及模拟自由场中的声传播 完整分析包括三个部分: 内部流体域，对应于CFD计算域 壳体 进出口外的外部声学域离心风机噪声气动-振动耦合分析设置 ACTRAN 振动-气动分析 外部声场 壳体外部建立声传播区 声传播区与声源区相连 (inlet and outlet) 结构/流体域以及流体/流体域的边界通过在Actran中建立Interface进行耦合Infinite elementsFinite fluid domainInterface Structure/FluidInt

13、erface Fluid/FluidInterface Fluid/Fluid离心风机噪声 研究刚性管道壁面内的声传播 内部麦克风设置处，分析半无限管道和有限长管道声学相应 声振耦合分析中，设定管道壁面为刚性壁面111 Hz302 Hz481 Hz626 Hz离心风机噪声 在Actran中建立thin shell 模拟管道壁面真实结构3 models are studied 钢板, 厚度 = 2 mm 铝板, 厚度= 1 mm 对结果进行分析并与前面结果进行对比 管道壁面材料属性如下 钢 Young modulus : 210 GPa Density : 7850 Kg/m3 Poisson

14、ration : 0.3 Damping : 0.1% 铝 Young modulus : 70 GPa Density : 2700 Kg/m3 Poisson ration : 0.3 Damping : 0.1%离心风机噪声 对比麦克风处声压级 钢结构没有影响管道内部的声传播 (与刚性壁面相比) 当运用铝板结构时，耦合系统的结构动力响应对管道内部声传播产生 管道声学模态频率向低频移动470 Hz604 Hz325 Hz269 Hz671 Hz872 Hz离心风机噪声目录 常见气动声学问题浅析 气动声学仿真案例 出风口喷流噪声案例 冷却风扇声学案例 管道声学案例 压缩机排气消音腔声学案例

15、电机电磁噪声案例 Actran在气动声学方面的优势 海基科技的技术团队37案例一：内排管辐射噪声研究38模型介绍 建立虚拟的内排管模型： 管道内径为8mm，外径为10mm，壁厚1mm，计算中管壁材料设为铜。39技术路线40CFD模型 建立CFD分析模型，预测流场结果。41CFD结果 涡量云图分析42A-A1剖面B-B1剖面声学计算 Actran分别提取两种载荷，共计算三种工况条件 AWPF、TWPF、AWPF+TWPF43声脉动压力气流脉动压力声学测量点 研究表明，声脉动压力与气流脉动压力对辐射噪声的影响相近。（由于输入参数与实际情况存在偏差，此结论仅供参考）44声脉动压力+气流脉动压力声脉动

16、压力气流脉动压力气动声源分布 考察导致声脉动压力载荷的气动声源分布情况45150Hz250Hz气流脉动载荷分布 考察导致气流脉动压力载荷的分布情况46150Hz250Hz内排管表面辐射贡献量分析 设置外部三个监测点，研究辐射噪声贡献量47结论 内排管振动辐射噪声受三方面载荷作用： 振动载荷； 气动噪声载荷（AWPF）； 气流脉动压力载荷（TWPF）。 本文利用Actran研究后两种载荷的影响，研究结果从以下几方面帮助工程师的设计工作： 了解内排管噪声辐射的机理； 了解内部声源、气流载荷分布情况； 认识内排管辐射噪声贡献量分布，指明优化方向。48结论 在内排管辐射噪声研究中，借助了Actran的

17、以下优势功能： 高马赫数气动噪声分析功能 支持内排管高流速气体的噪声求解 气动-振动声学一体化分析功能 支持流动噪声与振动辐射噪声的一体化分析 多载荷工况分析功能 支持AWPF、TWPF以及未来的振动载荷的分类研究 辐射噪声贡献量预测功能 支持提取结构表面对外场辐射噪声贡献量评估，指导优化设计49案例二：空调管路喷流噪声研究50空调管道51 仿真模型及实验设置空调管道 CAA声源计算声源区声学网格密度CAA计算插值方式 声学仿真策略线性插值、致密网格积分插值、稀疏网格积分插值、致密网格52空调管道 流场信息结果对比53实验实验实验仿真仿真仿真空调管道54 仿真及实验结果对比分析空调管道55面网

18、格基本尺寸为1-3mm空调管道编号进出口名称质量流量 (kg/s)速度幅值 (m/s)Inletinlet0.126523.121outelt-outvent-right-0.00581.302outlet-front-foot-left-0.01647.663outlet-front-foot-right-0.01477.374outlet-front-injection-0.01092.885outlet-outvent-left-0.00491.086outlet-rear-foot-left-0.02003.887outlet-rear-foot-right-0.02053.988ou

19、tlet-sidewindow-left-0.00130.579outlet-sidewindow-right-0.00140.6210outlet-windshield-left-0.01552.9711outlet-windshield-right-0.015072.8156 管道系统流场分析编号进出口名称总声压级/dBA1inlet97.92Rear foot right96.03Rear foot left94.74Front foot right101.25Front foot left98.66Side window left88.57Side window right88.68O

20、utvent left93.69Outvent right92.610Front injection92.511windshield90.457各进出口总声压级 各进出口声压级分析目录 常见气动声学问题浅析 气动声学仿真案例 出风口喷流噪声案例 冷却风扇声学案例 管道声学案例 压缩机排气消音腔声学案例 电机电磁噪声案例 Actran在气动声学方面的优势 海基科技的技术团队58 双涡轮压缩机采用2个相互独立的涡轮增压器应用于大型空调系统 双涡轮压缩机降噪采用减小排放气体脉动方法相消干涉 限制空间大小(成本、制造工艺)重量脉动衰减大小内部压力的限制涡轮压缩机涡轮压缩机排气耗散空间0.4L-4.4L

21、涡轮压缩机涡轮压缩机实验及仿真模型仿真范围：0-800HzM1-m5：压力传感器 模拟6种设计结构，其中 一种为FFT公司设计 与实验结果比较模型验证M2、m3处压力涡轮压缩机涡轮压缩机 某些频率点存在偏差（大于300Hz频率点）计算模型中假设止回阀一直是开启的实际情况中阀是不断移动的，衰减体积在发生改变模型中存在非线性情况，而仿真计算中采取的是线性假设 排气脉动和排气衰减体积的关系涡轮压缩机涡轮压缩机脉动响应: 50Hz涡轮压缩机涡轮压缩机脉动响应: 100Hz涡轮压缩机涡轮压缩机涡轮压缩机涡轮压缩机脉动响应: 200Hz、300Hz排气衰减体积区域的压力云图分布涡轮压缩机涡轮压缩机 空腔容

22、积可以降低到1.4 L 如果压力脉动主要集中在100Hz频率附近，形状对排气脉动的影响不大，可忽略；只有当压力脉动在150Hz以上频段贡献较多时，才需考虑衰减空间形状对排气脉动的影响。 有限元可成功的应用在排气脉动计算方面。涡轮压缩机涡轮压缩机目录 常见气动声学问题浅析 气动声学仿真案例 出风口喷流噪声案例 冷却风扇声学案例 管道声学案例 压缩机排气消音腔声学案例 电机电磁噪声案例 Actran在气动声学方面的优势 海基科技的技术团队68分析工具 ACTRAN模拟的物理问题 声学：声源的传播 振动声学：声-固耦合分析 流动声学：流体发声、复杂背景流的声传播69空调噪声分析电机噪声分析噪声源-1

23、-电磁噪声 Infolytica求解电机电磁力噪声源-1-电磁噪声 Infolytica保存电磁力、力矩，并将时域信号变换为频域信号。72噪声源-1-电磁噪声 电磁噪声：电磁力引起的电机噪声 建立电机模型及声音传播模型，计算电磁力引起的电机噪声的声传播及指向性。定子绕组永磁体（转子）软磁材料73噪声源-1-电磁噪声永磁机结构示意图声学网格示意图(剖面)电磁力引起电机噪声解决方案分类分类外壳外壳定子绕组定子绕组硅钢片硅钢片钕铁硼钕铁硼杨 氏 模杨 氏 模量量2.1e+111.1e+112e+112e+11泊松比泊松比0.310.320.250.25密度密度780089607650750074电磁

24、力引起电机噪声解决方案噪声源-1-电磁噪声外壳定义为薄壳，厚度为0.002m；其他结构定义为固体单元。Infolytica计算得到的分布载荷75电磁噪声的决定因素： 电机气隙内的谐波磁场及由此产生的电磁力波幅值、频率、级数； 定子本身的振动特性，如固有频率、阻尼、机械阻抗、声学特性。噪声源-1-电磁噪声目录 常见气动声学问题浅析 气动声学仿真案例 出风口喷流噪声案例 冷却风扇声学案例 管道声学案例 压缩机排气消音腔声学案例 电机电磁噪声案例 Actran在气动声学方面的优势 海基科技的技术团队76声类比概念CFD（URANS，LES，DNS，）计算流场声源： 利用声类比 标准简化假设Actra

25、n传播声： 近场：有限元 远场：无限元源域WsCAA域 W(Actran，FEM)无限元GeGsWaGe固壁Gs),();,();,(txptxtxv),(),(pvftxSLighthill / Mhring 声类比 Lighthill声类比声类比 线性声场，流场与声场没有耦合 低马赫数(Ma0.2) 高雷诺数(Re106) 均匀介质声传播 Mhring声类比 非线性声场，对流影响声场 较强平均流动 高雷诺数(Re106) 非均匀介质声传播需要3个结果来进行对体源项的积分 CFD网格 时域内的速度矢量场以及标量密度场 声学网格ACTRAN气动噪声技术优势技术优势-1：对CFD软件的兼容性，可

26、以直接读取大多数CFD程序的结果，同时为其他CFD程序提供通用格式接口OpenFoamNLH FineTurboNLH StarCCM+MRF FluentMRF StarCCM+MRF EnsightGoldFluentStarCCM+StarCDEnsight GoldCFXPowerFlowTRACEFineTurbo ACTRAN12.0ACTRAN13.0ACTRAN14.0+ACTRAN气动噪声技术优势技术优势-2：两种声类比方法 Lighthill声类比，主要用于低马赫数Ma0.2的情况，并且忽略声传播中的对流效应 Mhring声类比法，应用范围更加广泛，一般在考虑对流效应的声传

27、播问题才使用这种方法技术优势-3：ACTRAN体声源提取方式-不同部位声贡献量评价ACTRAN气动噪声技术优势技术优势-4：气动/振动声学的一体化求解 ACTRAN提供结构求解器，模型包含气动声源，同时包含车身结构物理模型。计算结果包含车内详细信息81车车窗脉窗脉动压动压力分布力分布车车窗振窗振动响应与动响应与乘客乘客舱声场舱声场分布分布总结使用ACTRAN提高气动噪声的声质量：在早期的产品设计阶段，ACTRAN仿真可以将声学设计因素考虑在内，降低接近产品交付时繁琐的故障排除ACTRAN具有模型处理能力，再加上其与FEA、MBD以及CFD软件有丰富接口，使其对重型机械行业中的噪声问题都能建立高

28、精度的仿真模型ACTRAN高效的求解器和并行计算功能，可大幅度减少模型计算时间使用ACTRAN创建的虚拟模型与物理测试具有很好的精确度，和物理试验相比，仿真时间更短并且易于检查。让工程师有充分的信心去尝试新的设计。目录 常见气动声学问题浅析 气动声学仿真案例 出风口喷流噪声案例 冷却风扇声学案例 管道声学案例 压缩机排气消音腔声学案例 电机电磁噪声案例 Actran在气动声学方面的优势 海基科技的技术团队83海基科技组织架构84海海基基科科技技北京海基嘉盛科技发展有限公司北京海基嘉盛科技发展有限公司上海海基盛元信息科技有限公司上海海基盛元信息科技有限公司上海泛云信息科技有限公司上海泛云信息科技有限公司北京总部北京总部华中办事处华中办事处西南办事处西南办事处上海上海总部总部华南办事处华南办事处西北西北办事处办事处海基盛元业务范围 CAE软件推广软件推广工程咨询服务工程咨询服务 研发中国网研发中国网流体力学、结构力学、颗粒力学、传热学、电磁学、声学、光学CAE培训培训服务服务由专业的硕士、博士组成的技术团队企业研发、创新服务提供企业研发、创新服务提供商商自主研发自主研发TDM，WDM，SD