动车组司机室空调蒸发器气动噪声数值仿真

韩铁礼 潘德阔 贾尚帅 张军

摘要：為研究动车组司机室空调蒸发器的噪声响应，建立某型司机室分体式空调蒸发器的计算流体动力学模型，采用FLUENT中的大涡模拟（large eddy simulation， LES）计算瞬态气动流场。对瞬态流场数据进行傅里叶变换，得到空气流场的频域数据。基于流场频域数据，采用Virtual.Lab的边界元法计算蒸发器的气动噪声，采用声压法计算蒸发器的辐射声功率，并与测试结果进行对比分析。结果表明：蒸发器出口位置气动噪声最高，最大声压级高于56 dB;最大声功率级出现在125～ 400 Hz的低频段;声功率级随着频率的增加逐渐降低，但在5 000 Hz的高频辐射中声功率级仍然超过55 dB，这表明空调蒸发器气动噪声属于宽频噪声;计算结果与测试结果吻合良好，验证声压法计算空调蒸发器气动声功率可行。

关键词：动车组; 空调蒸发器; 气动噪声; 声功率级; 边界元

中图分类号：U264.55; TP391.92 文献标志码：B

收稿日期：2019-04-27

修回日期：2019-06-23

基金项目：

国家重点研发计划（2016YFB1200503）

作者简介：

韩铁礼（1984—），男，河北唐山人，工程师，研究方向为车辆噪声控制，（E-mail）hantieli.ts@crrcgc.cc

Numerical simulation on aerodynamic noise of

air conditioning evaporator of EMU cab

HAN Tieli1， PAN Dekuo1， JIA Shangshuai1， ZHANG Jun2

（1.Technology Research Center， CRRC Tangshan Co.， Ltd.， Tangshan 063035， Hebei， China;

2.College of Locomotive and Rolling Stock Engineering， Dalian Jiaotong University， Dalian 116028， Liaoning， China）

Abstract：

To study the noise response of air conditioning evaporator in EMU cab， the computational fluid dynamics model for evaporator of

a split air conditioning in the cab is established. The large eddy simulation（LES） of FLUENT is used to calculate the transient aerodynamic flow field. The frequency domain data of air flow field is obtained by Fourier transform of transient flow field data. Based on the frequency domain data of flow field， the aerodynamic noise of evaporator is calculated using boundary element method of Virtual.Lab， and the radiated sound power of evaporator is calculated by sound pressure method. The calculation result is compared with the test result. The results show that the aerodynamic noise at the outlet of evaporator is the highest， and the maximum sound pressure level is higher than 56 dB; the maximum sound power level appears in the low frequency band of 125～400 Hz. The sound power level decreases gradually with the increase of frequency， but the radiation sound power level of high frequency（5 000 Hz） still more than 55 dB. It indicates that the aerodynamic noise of air conditioning evaporator belongs to broadband noise. The calculated results agree well with the measured ones， and the calculation of aeroacoustic power of air conditioning evaporator by sound pressure method is verified.

Key words：

EMU; air conditioning evaporator; aerodynamic noise; sound power level; boundary element

0 引 言

动车组司机室空间有限，一般采用分体式空调，即将蒸发器、离心风机和其他电气控制部件安装在室内机组中，把轴流风扇、压缩机和冷凝器等组件安装在车体下部设备舱内。[1]在动车组运行过程中，量级较高的气动和轮轨噪声的声源均在室外，但空调蒸发器安装在司机室内，其噪声对司机仍有较大影响。[2]试验测试表明：动车组司机室内噪声可高达75 dB（A），室内空调蒸发器、管道和空气出口是主要噪声源;乘客车厢内空调出风口位置噪声也明显高于其他部位噪声，可达68 dB（A）。[3]空调噪声一部分来自压缩机等运行时的振动噪声，另一部分为气动噪声。[4-6]对于动车组司机室的分体式空调来说，室内噪声主要为气动噪声。空调气动噪声的研究方法主要有2种：一是实验法[7];二是数值仿真与试验相结合，即将仿真结果与试验结果进行对比验证[8-9]。数值仿真也有2种方法：一是用大涡模拟（large eddy simulation， LES）计算瞬态流场，用Lighthill声类比法计算气动噪声[10];二是用LES计算瞬态流场，用边界元法计算气动噪声[11-12]。

本文建立动车组分体式空调室内蒸发机组空气动力学计算模型，采用FLUENT计算离心风机驱动空气流过蒸发器时的稳态流场;以稳态流场数据作为初始值，采用LES计算瞬态流场，并对瞬态流场数据进行傅里叶变换，得到频域数据;用Virtual.Lab的边界元法模拟蒸发器的气动噪声，并计算蒸发器辐射的声功率，最后通过试验测试验证计算结果的准确性。

1 气动噪声仿真计算基本理论

1.1 边界元法气动噪声计算理论

用边界元法计算气动噪声要先得到流场的时域数据，即流场瞬态数据;再对流场瞬态数据进行傅里叶变换，得到流場的频域数据;基于频域数据用边界元法计算气动噪声。流场瞬态数据一般用LES进行计算，LES方法是基于N-S方程求解瞬态流场的一种数值方法。[13]LES方法兼顾求解效率和求解精度，是气动噪声分析中计算瞬态空气流场的常用方法。

对LES瞬态计算得到的外流场结果进行傅里叶变换，得到流场的频域数据，再用边界元法计算气动噪声，是求解气动噪声的有效方法。边界元法利用格林函数将声学微分方程转换为在边界上定义的边界积分方程[11]，并将边界积分方程离散为只含有边界节点未知量的代数方程组。解此方程组得到边界节点上的声压，可进一步求得非边界节点上的声压变量，离散后可得流场边界节点上某一频率下流体速度与声压的关系，即

Ap=Bvn（1）

式中：A和B为影响系数矩阵;

p为结构表面节点声压向量;

vn为结构表面流场法向速度向量。A和B为K×K阶复系数矩阵，与结构表面形状、尺寸和插值型函数有关，并且是激励频率ω的函数。

结构边界上的流场速度一般为已知量，如果空调蒸发器中离心风机叶轮旋转导致流体流动的速度是已知的，那么按照式（1）可以求解结构表面上的流体速度声压向量p。声域内任何一点声压计算式为

pY=aTp+bT

vn（2）

式中：a和b为插值系数，与封闭结构几何形状和设计域点的位置有关。

1.2 声压法声功率计算

在气动噪声仿真计算中，各个监测点的声压级较容易得到，而气动噪声辐射的声功率级难以直接计算。按照《声学声压法测定噪声源声功率级和声能量级反射面上方近似自由场的工程方法》（GB/T 3767—2016）的要求，基于监测面上若干监测点的声压级，可以得到声源辐射的平均声压级。[14]监测面为一个面积为

S、包络声源、各边平行于基准体、与基准体的距离为d（即测量距离，d设定为1 m）的假想平行六面体表面[14]，见图1。

由平均声压级可以计算噪声源辐射的声功率级。设Lp，ij 为声源监测面上第i个监测点第j个频率的声压级，则被测声源在第j个频率辐射的平均声压级为

式中：n为监测点的个数。因此，平均声功率级

L w，j =L p，j +10 lg（S/S0） （4）

式中：S0为监测面参考面积。由各频率的声功率级，可以计算声源通过监测面辐射的总声功率级为

Lw=10 lgmj=1100.1L w，j （5）

式中：m为考虑的频率个数。

2 蒸发器模型

2.1 几何模型

蒸发器由风机、散热器、加热器、风道和空气出入口等构成，可以分成A、B和C等3段，见图2。A段安装2个离心风机用于空气混合，B段布置蒸发器散热片和加热器，C段为风道。蒸发器两端布置空气入口和出口，共设置3个空气入口、4个空气出口。入口1和2直接从外部吸入冷空气，入口3从室内吸入温度相对较高的空气，以调节室内空气。

2.2 计算流体力学模型

采用结构网格和非结构网格的混合网格进行网格划分。蒸发器离心风机叶扇较小且为曲面，所以采用非结构化网格;散热片由密集薄板与散热管交错布置组成，因此在散热片区域采用结构化网格。这样不仅可以减少网格数量，而且可以在保证计算精度的同时缩短计算时间。蒸发器计算流体力学网格见图3。机体表面网格尺寸较大，最大为20.0 mm;风机叶扇表面尺寸较小，最小为1.5 mm;共划分5 649 455个流体单元。边界条件设置为：机体表面为固定壁面，入口和出口分别设置1 atm的压力入口和出口;设置风机叶扇区域网格以230 r/min速度旋转，模拟离心风机叶扇旋转。

2.3 边界元模型

在流场边界和结构边界建立边界元模型，用数值法计算气动和结构噪声。分体式空调蒸发器边界元网格模型见图4。

涡轮风机叶扇表面、涡壳及其结构均采用边界元网格，蒸发器离心风机叶扇仍采用非结构化网格。散热片由散热管贯穿多片薄板组成，因此在散热片区域采用结构化网格。模型采用三角形和四边形网格构成，共划分93 512个边界元网格。

3 稳态流场计算结果和瞬态流场初始条件

计算气动噪声需要用LES计算瞬态流场，计算瞬态流场需要用稳态计算结果作为初始值，而且稳态计算结果可用于初步分析模型的正确性。

在FLUENT中采用标准k-ε湍流模型计算冷凝单元稳态流场，获得流场的定常解，并以此作为瞬态流场计算初始条件。离心风机涡壳和叶扇的静压力云图见图5。由此可知：涡壳口区域压力较大，叶扇迎风侧压力较大，叶扇靠近轴心侧压力较小。

用稳态流场的定常解作为瞬态计算的初始条件，能准确计算气动噪声，因此将分体式空调蒸发器定常稳态解作为LES瞬态计算的初始条件。

4 蒸发器气动噪声结果分析

4.1 噪声测点布置

为确定测量表面，根据空调机组的几何尺寸和主要发声器件分布，设定基准体（见图1）。基准体为包络声源并终止于反射面的最小六面体，在确定基准体大小时，声源的凸出部分只要不是声能的主要辐射体，可以不予考虑。为确保计算准确，

可选择足够大的基准体，将危险工作点都包括进去。[12]基准体的长、宽、高分别设置为L1=1.9 m、

L2=1.1 m和L3=1.6 m。响应面设为六面体，共布置21个监测点。

4.2 气动噪声云图

将图1中各个测点所在的六面体作为噪声响应面，当频率f为100和1 250 Hz时，该响应面上的声压级见图6。由此可知，f=100 Hz时蒸发器空气出口和入口气动噪声都较大，f=1 250 Hz时出口位置气动噪声较大。

4.3 声压级、平均声压级和辐射声功率级计算

计算得到部分监测点在不同频率下的声压级见表1。蒸发器上部的出口位置和入口位置噪声较大，最大值出现在监测点15，该点在f=125 Hz时噪声最大，其值为56 dB。根据表1，按式（3）计算蒸发器平均声压级，结果见表2。由此可知：最大平均声压级出现在f=160 Hz时;总体来看，声压级随频率增大先增加后又逐渐减小趋势。根据各频率的平均声压级，按式（4）计算各频率的声功率级，见表3。各频率的声功率级分布特点与声压级类似，在f=160 Hz出现最大值。按式（5）计算得到蒸发器辐射的总声功率级为75.71 dB。

4.4 试验测试及对比分析

为验证计算结果的正确性，对分体式空调蒸发器的气动噪声进行试验测试。试验在声学实验室内进行，蒸发器气动噪声测试设备见图7。通过测量测试面上的声压，利用式（3）～（5）计算得到总声功率级，因此试验设置21个声压测试点，测试点位置与仿真计算位置相同（见图1）。

试验测试与仿真计算的声功率级对比见图8。

由此可知：仿真计算的声功率级与试验测试的声功率级总体趋势相同，在125～400 Hz的低频段声能量较大，随着频率增加声功率逐渐降低;试验的声功率级曲线较平缓，仿真的声功率曲线出现较多的峰值和谷值。在2 000 Hz的高频段，仿真计算值与试验测试值之间误差较大。试验测试得到的蒸发器辐射的总声功率级为74.25 dB，仿真计算结果为75.71dB，只相差1.46 dB。

5 结 论

（1）该动车组分体式空调蒸发器在气流出口和入口位置噪声相对较大，在气流出口位置气动噪声高于56 dB。

（2）仿真计算与试验测试的声功率级曲线基本吻合，最大声功率级出现在125～400 Hz的低频段，声功率级随着频率的增加逐渐降低。

（3）声压级和声功率级曲线表明，蒸发器的气动噪声没有明显的主频，虽然在100～5 000 Hz频段内声压和声功率级总体随着频率增加而逐渐降低，但衰减较慢，在5 000 Hz的高频段辐射声功率级仍然超过55 dB。

（4）仿真计算和试验测试的总声功率级误差仅为1.46 dB，相对误差小于2%，验证声压法计算空调气动噪声声功率的可行性。

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