基于Fluent与Virtual Lab发动机风扇气动噪声的联合仿真

王惠茹，吕国坤，郑泉

（安徽农业大学 工学院，安徽 合肥 230036）

基于Fluent与Virtual Lab发动机风扇气动噪声的联合仿真

王惠茹，吕国坤，郑泉

（安徽农业大学 工学院，安徽 合肥 230036）

以某款发动机风扇为研究对象，采用数值模拟方法，应用Fluent和LMS Virtual Lab分别模拟发动机风扇流场和声场分布。将计算结果与半消音室内的风扇测试噪声进行对比，验证了联合仿真计算风扇噪声方法的准确性。在工程实际中可用于对风扇性能的初步检测，可以为下一步风扇的优化提供技术依据。

风扇；气动噪声；CFD仿真

风扇作为一类重要的叶轮机械，广泛应用于各个行业，近年来人们也越来越关注风扇噪声的产生、传播及治理。冷却风扇是冷却系统中非常重要的零部件，冷却风扇的效率和性能是整个冷却系统的性能评价的重要指标之一。

就目前国内外研究现状来看，在风扇噪声领域产生了很多研究成果，形成了相当完善的理论体系。过去气动噪声的研究主要源于经验模型、公式的积累，无论是风扇的设计还是性能评价，都是建立在实验的基础之上。Khelladi，S等人建立了一个空气声学基础模型，并运用霍金方程预测偶极子和单极子在噪声频域里的声调［1］。Gerard，A等人通过实验研究在风扇前使用单个扬声器对于降低噪声的可行性［2］。Sorguven等对风机风扇进行降噪优化，建立雷诺平均n-s方程模型，运用神经网络方法评估预测噪声级和风扇性能［3］。王斌、吴锦武、陈志军以某 4缸发动机为例，采用声压测试的方法，证明了风扇的噪声主要是高频噪声，解释了噪声的产生机理并提出相应的降噪措施［4］。

然而，试验研究这种方法设计周期长、成本高，产品质量也不理想。随着仿真计算方法以及计算技术的发展，数值仿真已经成为气动噪声仿真、预测、降噪的新手段。Liu，Q.运用大涡流理论数值模拟离心风机风扇的噪声分布［5］。伍文华、杜平安等采用流体力学计算软件F1uent和LES大涡模型对轴流风扇气动噪声进行了数值模拟，分析了轴流风扇气动噪声产生机理，验证了仿真方法的正确性，结果表明：LES湍流模型能够准确预测气动噪声，满足工程应用要求［6］。

在整理了前面所有理论的基础上，运用联合仿真的方法数值模拟风扇的流场与声场的分布，即以某款发动机风扇为研究对象，运用F1uent计算其稳态压力场，将其作为边界条件导入到 LMS Virtual Lab中，利用acoustic模块计算其气动噪声。最后将数值仿真结果与试验结果进行对比以验证仿真方法的准确性。

1 Fluent的流场仿真

1.1 模型的建立

由于风扇的有限元模型直接决定计算结果精度，故而要对风扇有限元模型进行几何清理，将一些对风扇流场和声场影响的小区面以及几何特征去掉，清理完成后三维模型如图1所示。

图1 CFD仿真模型图

按照风扇试验标准生成流体区，模型图如图2所示；仿真模型共分入口区、出口区、流体区和管道区4个部分。入口区流场长度为风扇直径的10倍［7］，出口区应为7倍以上。考虑到误差影响，风扇的流体旋转区的直径要尽可能接近风扇叶片外径。取风扇的直径为300mm，故将入口流场与出口流场的长度均设为3000mm。

图2 边界区域的划定

在数值计算中，计算网格的质量直接决定着计算结果的准确度。考虑到风扇仿真模型的复杂性，采用分区划分网格的方法：出、入口的网格尺寸最大，流通区的网格稍微小点，旋转区的网格最细致。使用四面体网格对模型进行离散，得到2273705个单元、462163个节点，风扇流场网格如图3所示，旋转区网格如图4所示。

图3 风扇流场网格

图4 旋转区网格

在风扇计算域中，主要边界条件有进口边界条件、出口边界条件和壁面边界条件。在仿真过程中，壁面流体区是唯一能够定义“动”的区域，用于定义风扇转速。

1.2 边界条件的设定

在进行仿真分析前，要在F1uent中对各边界条件进行设定。在进口给定流动总压为大气压力，流动方向为沿轴向进气。通流区的流动属于湍流运动，理论上流场分析认为风扇内部流体为不可压缩气体；流动中无热量交换，采用非定常计算；计算中忽略重力对流场的影响。

1.3 控制方程的选定

风扇的非定常流场十分复杂，如何选择合适的湍流模型成为风机噪声预测的关键。将网格模型导入F1uent中，选择LES算法，即大涡流算法。这种方法的优点在于，对空间分辨率的要求要远小于直接数值模拟方法，且可以获得比雷诺平均模拟更多的湍流信息。其模拟的控制方程如下［8］：

不可压缩湍流的亚格子涡粘和涡扩散模型采用分子粘贴形式，即

将亚格子应力的涡粘模型带入到大涡数值模拟控制方程中得：

至此，大涡模拟的控制方程确立。

定义时间步长为1×10-6，0.05s的仿真结果，计算结果云图如图5所示。

图5 风扇叶片压力分布图

2 气动噪声的仿真计算

2.1 选择分析类型

设定分析模型的类型为非直接，采用边界元（BEM）方法求解。将Fluent计算得出的结果，即稳定的压力场，作为声学仿真的边界条件。

2.2 生成声学网格

导入流体网格并定义网格属性为声学网格，将Fluent计算出的流体静压力结果导入模型（图6）。

图6 风扇声学网格图

2.3 生成边界元网格及场点网格

如图7所示，场点网格为距离风扇1000 mm处的一个平面，以观察在此处风扇的噪声分布。而边界元网格是以风扇直径为直径，以风扇前后各1000mm为长度的圆柱体。定义流体属性及风扇源属性后提交运算，得到的结果如图8所示。

图7 风扇场点网格图

图8 风扇出口处1m处噪声分布图

3 风扇性能试验与仿真结果验证

3.1 风扇的性能试验

实验方案主要内容包括 1）选择试验场地：主要是在一个半消音环境下进行；2）选定一个测量的工况：与仿真分析的工况一致；3）测点的布置：将传感器至于风扇的出口处1m的位置，试验相关图片如图9所示；4）进行噪声测试。

图9 噪声试验装置图

3.2 结果对比

试验所测以及仿真所得是在转速为2400r·min-1和1400r·min-1转速下，距离风扇出风口处1m的噪声值，结果对比如表1所示。

表1 结果对比

由表1对比结果可知：在转速为1400r·min-1下，距离风扇1m处的仿真噪声为61.9dB，在同样状态下的实验结果为63.6dB，误差为2.7%；在转速为2400r·min-1下，距离风扇1m处的仿真噪声为72.2dB，在同样状态下的实验结果为74.1dB，误差为3.1%。

4 结论

通过对一款风扇气动噪声的仿真计算，并将结果与试验进行对比，得出以下结论：

1）得到风扇在1400 r·min-1转速下距离风扇出风口1m的噪声值为61.9dB；风扇仿真噪声在2400r·min-1转速下距离风扇出风口1m的噪声值为72.2dB。

2）噪声的实验值与仿真值的误差都在允许的范围内（5%），说明仿真模型的可靠，仿真分析结果是可信的。

仿真分析结果与实验值有差别，其原因是仿真计算时对模型进行了一些简化；网格的精度不够高；实验过程中存在误差及仿真过程中存在固有误差等。

［1］Khelladi S.，Kouidri S.，Bakir F.，et al.Predicting tonal noise from a high rotational speed centrifugal fan［J］. JOURNAL OF SOUND AND VIBRATION，2008，313(1-2)：113-133.

［2］Gerard A，Berry A，Masson P.Control of tonal noise from subsonic axial fan.Part 2:active control simulations and experiments in free field［J］.JOURNAL OF SOUND AND VIBRATION，2005，288(4-5)：1077-1104.

［3］Sorguven Esra，Dogan Yilmaz.Acoustic optimization for centrifugal fans［J］.NOISE CONTROL ENGINE-ERING JOURNAL，2012，60（4）：379-391.

［4］王斌，吴锦武，陈志军.风扇系统噪声对发动机整机噪声的影响［J］.内燃机工程，2004，25（6）:52-54.

［5］Liu Q.，Qi D.，Tang H.Computation of aerodynamic noise of centrifugal fan using large eddy simulation approach，acoustic analogy，and vortex sound theory［J］. PROCEEDINGS OF THE INSTITUTION OF MECHANICAL ENGINEERS PART C-JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING SCIENCE，2007，221 (11):1321-1332.

［6］伍文华，杜平安，陈燕，等.大涡模拟在轴流风扇气动噪声仿真中的应用［J］.机械设计与制造，2013（1）：63-65.

［7］吴玉林，陈庆光，刘树光.通风机和压缩机［M］.北京：清华大学出版社，2005.

［8］张兆顺，崔桂香，许春晓.大涡数值模拟的理论与应用［M］.北京：清华大学出版社，2008:73-96.

Co-simulation of Aerodynamic Noise for Engine Fan Based on Fluent and Virtual Lab

Wang Huiru,Lü Guokun,Zheng Quan
（Institute of Technology,Anhui Agricultural University,Hefei 230036,China）

The flow field and acoustic field distribution of the fan were simulated based on a certain engine fan,by numerical simulation,with Fluent and LMS Virtual Lab.Compared the noise of the calculated results with that of the test fan in semi-anechoic room,the accuracy of the co-simulation method for calculating fan noise was verified.It can be used for the preliminary test of the fan performance in engineering practice,and provides technical basis for further optimization of the fan.

fan;aerodynamic noise;CFD simulation

464.138+.4

A

1008－5483（2014）01－0030－04

2014-03-19

安徽省自然科学高校重点项目（KJ2013A125）

王惠茹（1991-），女，安徽马鞍人，硕士生，主要从事大马力拖拉机变速箱噪声方面的研究。

10.3969/j.issn.1008-5483.2014.01.008