冷却风扇气动噪声性能的分析方法研究及应用

朱聪聪，苏俊收，薛 卡

（1. 徐工集团工程机械有限公司 江苏徐州工程机械研究院，江苏 徐州 221004；2. 徐工集团高端工程机械智能制造国家重点实验室，江苏 徐州 221004）

冷却风扇的噪声产生于风扇旋转时与空气之间的相互作用，针对不同的噪声类型采取相应的控制措施。然而风扇的结构复杂且灵活多变，对它各气动特性如温度变化、速度变化、压力分布等进行理论计算的工作繁琐复杂。目前，通常借用试验手段研究其噪声性能，但该方法设计周期长，成本高，效果也不理想。随着仿真技术方法的发展，利用流体仿真工具计算流体动力学（CFD）模拟散热风扇的工作过程，仿真计算其物理量变化规律，再进行分析和改进设计的方法已成为预测风扇噪声性能的重要手段。

本文以经典声学和气动噪声理论为基础，运用联合仿真方法模拟风扇流场和声场的分布，以某机型选配的3款风扇为评估对象，运用Fluent计算其稳态压力场，将其作为边界条件导入LMS virtual lab中进行气动噪声的数值仿真，并通过试验手段验证该方法的准确性，为风扇的选型和噪声预测提供依据。

1 基本原理

从叶轮机械气动噪声源的典型噪声谱可将噪声分成2类：一类是与旋转叶片的桨叶通过频率相关的离散噪声，也称旋转噪声；另一类是与叶片上的紊流压力脉动相关的频率连续分布的宽频噪声。此外，按照旋转气动噪声的声源性质，又可分为单极子声源、偶极子声源和四级子声源3种，其噪声的大小分别取决于桨叶的几何尺度、运动状态和桨叶上的载荷。而宽带噪声的声源性质通常为旋转叶片上的紊流附面层流动所致的脉动载荷作用于桨叶上流体而形成的偶极子声源，大小取决于紊流附面层的流动状况。根据对旋转机械空气动力学的研究，可量化稳态载荷旋转产生的螺旋桨噪声，通过声类比方程式，揭示了声与流体相互作用的本质。公式如下

其中ρ˙为密度扰动；Tij被称为莱特希尔应力张量。

当明确的声散效果被忽略，固体边界的影响相当于表面分布偶极子源，由此可得出气动声学更为普遍的声波波动方程，被称为FW-H方程。

坐标变换的雅克比行列式，J为被源边界S包含的体积；S为时刻τ的源区边界；［］是每个体积元所需要计算的项；Mr为每个观测点方向源运动的马赫网格面法线方向上的瞬时压力脉动；R为观测点到源的距离；vj表示声源的速度分量。目前，FW-H方程是涡轮机械噪声研究的主要理论依据。

2 流场仿真分析

2.1 模型建立

建立风扇的有限元模型，在对气流流动影响不大的轮毂部分可进行适当简化，而叶片网格则尽量与实际形状保持一致。图1为3款不同风扇简化后的模型。

图1 风扇模型（依次为风扇A、风扇B、风扇C）

参考实际的风扇性能试验设备建立流场模型。流体域划分了旋转区域和过渡区2个区域，每个区域依据流场仿真的影响程度对网格进行不同尺寸的划分。图2为风扇性能试验台及其内部细化示意图。

图2 风扇性能试验台及其内部细化示意图

2.2 边界条件设定

仿真分析前设定Fluent的边界条件。假设风扇内部流通为不可压缩气体并忽略重力影响，流体流动为湍流运动，无热交换，采用非定常计算，风扇转速均为2100rpm。

2.3 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扇流场计算和噪声预测的关键。将网格模型导入Fluent中，选择使用LES算法即大涡流算法。该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

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。

计算中，定义流量监控区域（风扇前后端面）和压力监控区域（风扇叶片和轮毂的表面），研究风扇的流场特性，待流场稳定后计算分析3款风扇的噪声性能。图3是计算稳定后风扇前端面的流量曲线。

图3 风扇前端面流量

3 气动噪声仿真分析

分析模型采用间接边界元（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，并将其转化为计算所需的扇声源，如图4所示。

图4 用于风扇噪声计算的扇声源

考虑到地面反射，在virtual lab中使用对称面来模拟“硬”边界条件，场点位置分别设置于风扇前方轴向距离1m和径向距离两侧1m处，以获得此处风扇的噪声，如图5所示。

图5 风扇试验台架仿真模型

4 试验验证

4.1 风扇噪声性能试验

为保证实验和仿真的可比性，实验方案选定的测量工况以及测点的布置应分别与仿真的工况和场点一致。测点布置示意图如图6所示。

4.2 结果对比

试验以及仿真所得的结果（风扇前方轴向距离1m处的噪声值）如表1所示。

表1 结果对比（单位：dB（A））

图6 测点布置示意图

由表1对比的结果可知，在试验台架、地面等外界声学环境一致的情况下，风扇噪声的仿真值与试验值的误差在±5%以内，误差主要是由于未考虑到风扇的结构变形以及忽略了电机及其他声源所致。通过仿真和试验测试均能得到相同的风扇噪声水平评估结果，即风扇噪声性能，由优到劣的顺序依次是：风扇B、风扇A、风扇C。这对风扇噪声的预测和选型起到一定的指导作用，为后期风扇的选型改进及与散热器的配合优化提供了参考。

5 结束语

本文通过建立风扇噪声试验台的有限元模型，计算风扇同一转速下的流场及噪声，研究风扇改进的可实施性。通过试验验证，该方法在工程实际中可用于对风扇性能的初步预测，为风扇噪声的控制和优化选型提供了依据和有效的评估手段，可推广到其他不同类型风扇的噪声水平评估，对风扇噪声性能的选型起到一定的参考价值。考虑到各个风扇的风量、效率和工作转速不同，有必要继续研究 风扇不同转速下的噪声水平，以找出控制流量和噪声的最佳平衡点。