風扇氣動噪聲分析
風扇氣動噪聲分析服务利用仿真工具进行风扇/风机流动特性和噪声特性计算。風扇可以用于發動機的冷卻等很多場景，合理的風扇設計將極大地提高風扇的效率，但由于管道風扇內部流動非常複雜，通過理論計算對其流動進行定性分析十分困難，風洞試驗雖然可以得到其流動參數和噪聲特性，但也無法對流場內部的流動細節進行描述。因而进行仿真计算是一种有效的设计计算方法。
成功案例
管道風扇氣動噪聲分析：
1.1介紹
風扇可以用于發動機的冷卻等很多場景，合理的風扇設計將極大地提高風扇的效率，但由于管道風扇內部流動非常複雜，通過理論計算對其流動進行定性分析十分困難，風洞試驗雖然可以得到其流動參數和噪聲特性，但也無法對流場內部的流動細節進行描述。
演示如何利用Fluent進行風扇流動特性和噪聲特性計算。
1.2幾何建模和流場計算域建立
風扇外徑爲384mm，輪毂直徑爲140mm，輪毂比爲0.365，8扇葉均勻分布，外流場建模充分考慮到進氣試驗標准，入口區長度至少爲入口處管道直徑的六倍；而出口區的長度則應保證至少爲出口位置管道直徑的十倍；至于旋轉流體區，是指包含了風扇本體以及周圍流場的圓柱體區域，應當保證其尺寸盡量靠近風扇葉片的直徑，最終風扇模型和外流場模型分別如下圖所示。
1.3模型網格的劃分
網格生成作爲仿真計算中的關鍵環節，其結果直接控制了後續計算過程的效率與精度。爲了保證劃分結果的質量，應選擇合適的網格尺寸，防止太疏或太密的網格産生，在流量梯度較大的流動區域內，應當盡量提高網格質量（高細密度，較小的歪斜度）；至于梯度小的區域可以在保證精度的基礎上適當較少網格數目。
本案例旋轉流體區由于包含了風扇本體且流動情況最爲複雜，爲了保證足夠的計算精度，該區域網格尺寸最小。管道區網格尺寸較旋轉區略大，最終劃分結果如下圖。
1.4邊界條件設定與旋轉模型選取
完成網格生成後需進行邊界條件的設置。在流動的計算過程需要設定的邊界條件包括：
（1） 流动入口条件：根据吸气试验的要求将流动入口设置为压力边界条件，其中入口处压值定义为大气压力，且气体沿轴线方向流动；
（2） 流动出口条件：根据吸气试验的要求将流动入口设置为压力边界条件，出口压力值定义为 0，即出口处没有外界的作用；
（3） 壁面边界条件：主要为通流区的管壁表面。
对风扇旋转运动的仿真则是通过 MRF 模型来实现的。Fluent 中常用的多运动坐标系模型包括： SMM（滑移网格模型）,MPM(混合面模型)以及 MRF（多重参考系模型）。考虑到风扇中气体运动属于定常流动，所以选择计算量相对较少的 MRF 基准。
作爲旋转机械仿真中最常使用的模型，MRF 模型计算思路在于：将算法区间分成数个运动相互独立的子区间，先在各子部分间对流场方程进行求解，通过各部分间的交界面完成流场信息的传递。
作爲 CFD 模型中唯一运动的旋转流体域，将其边界条件设定为 Fluid（流动域）。在 Fluent 软件中选择 MRF，并且将风机转速定义为坐标系的转速。
1.5計算方程選擇與仿真參數設置
对于风扇内部的稳态流动，采用定常计算模型进行仿真，且计算过程中不考虑重力的影响。利用 SIMPLE 方程完成速度与压力的解耦，将湍流模型定义为 RNG k-epsilon;的双方程模型。
在 Fluent 软件对参数进行设定时，根据实际工况将流体材料定义为空气且认为风扇内部流体不可压缩；由于流动过程中没有热能的交换所以不对能量守恒方程进行求解，只考虑流体连续方程以及动量方程。对于控制方程中的湍动能耗散项以及动量项等使用二阶迎风的离散格式，在迭代过程中使用欠松驰因子以加速收敛。
1.6風扇流場計算結果分析
用Fluent軟件對轉速爲2000rpm的風扇進行計算，得到包括速度矢量圖、壓力雲圖結果如下所示。
2風扇氣動噪聲分析
2.1噪聲分析步驟
在 Fluent 中对于风机噪声的仿真是分为两个部分先后完成的：
（1） 首先使用大涡模拟模型（LES）对风扇流场中的瞬态控制方程求解获得流场的动态稳定值，通过计算结果得到风扇的噪声源（即风扇叶片上的动态载荷）；
（2） 接下来则是通过求解 FW-H 模型的方法对风机载荷进行分析并得到噪声值。
2.2瞬態流場仿真邊界條件設定
声场仿真过程中由于其 CFD 模型与流场极为相似因此不再另行建立模型，而是对原有流场模型的边界条件进行修改。由于噪声特性的仿真属于非定常计算，虽然同样将旋转流体域设为唯一的运动区域，但是改用滑移网格模型对风扇的动叶片与静止区域进行耦合以保证瞬态计算的精确度。
在控制方程的离散过程中使用PISO 算法代替原来的 SIMPLE 方法，相比较而言 PISO 算法在原有“预测-修正”方法的基础上添加了一个再修正过程，对原有计算结果进行了二次改进，有效的提高了计算精度与方程的收敛速度。至于迭代过程中参数的设置，将时间步长设定为0.0001s，而计算的截止频率取 6000Hz，在每个时间步长内计算 40 次，迭代次数为 1000。
2.3氣動噪聲邊界條件設定與後處理
将2.2节中的计算结果与 FW-H 方程相结合在叶片表面使用二重积分获得随需要的声压值信号，在进行噪声参数设定时，以风扇本体为噪声源，而监测点则按照 GB/T2888-2008《风机和罗茨鼓风机噪声测量方法》中的规定设置，取风机前 1m 处噪声结果作爲分析。
最终可以得到1m处噪声值计算结果为78dB(A)，完成声场计算过程后得到的数据是时域信号，还需使用Fluent 软件后处理功能中的快速傅立叶变换模块（FFT）完成时频转换获得声压级频谱图，如下所示。
風機氣動噪聲分析：
1模型建立
首先對模型進行幾何處理，模型只包含兩個流體域，一個爲風機內部的旋轉域，一個爲風機外部的靜止域，入口定義爲inlet，出口定義爲outlet，機器人定義爲jiqiren，其余壁面定義爲wall，如下圖。
以meshing模式打开fluent对流场网格进行网格划分，应用Watertight Geometry流程划分网格，首先将第1节中建立的几何导入进来，之后将interface接触的交界面定义为200mm，接下来进行面网格划分，设置面网格最小尺寸为30mm，最大尺寸为1000mm，网格增长率为1.1，为了对曲面进行精确捕捉，设置Curvature和Proximity方法对曲率和微小结构进行识别，将inlet设置为速度入口边界条件，out设置为压力出口边界条件，其余边界均暂时设置为wall边界，添加边界层，第一层高度为0.1mm，共3层，增长率为1.1，最后对体网格进行划分，网格选择为四面体网格，最大网格尺寸为1000mm，最终网格划分结果如下图。
2仿真與後處理
入口速度分別設置爲3m/s和12m/s，風機轉速爲24rpm。
仿真设置时，首先选择压力基稳态求解器，湍流模型选择为SST k-w模型，入口速度确定为3m/s和12m/s，外场壁面设置为sym边界，设置迭代次数为2000开始计算，计算收敛后，转变为瞬态，sst k-w模型，时间步长0.0001s，共计算50步进行瞬态计算，直到结果收敛即可。
3m/s結果分析
速度雲圖
渦雲圖
湍流雲圖
12m/s結果分析
速度雲圖
渦雲圖
湍流雲圖
3氣動噪聲模擬
瞬態計算完成後激活FWH氣動噪聲模型，噪聲源設置爲風機，共設置三個接受位置，坐標分別爲（-1，0）、（0.5，0）和（1，0），共計算250步，計算過程的殘差圖如下。
4氣動噪聲結果分析
3m/s噪聲結果分析
監測點1（-1，0）聲壓圖：27.43db
監測點2（0.5，0）聲壓圖：29.53db
監測點3（1，0）聲壓圖：26.88db
12m/s噪聲結果分析
監測點1聲壓圖：67.42db
監測點2聲壓圖：77.90db
監測點3聲壓圖：66.81db
結論：
可見，風機聲壓值都不大，隨著來流風速的增加，監測點1（-1，0）、監測點2（0.5，0）和監測點3的聲壓值均大幅增加。
需求填寫
如果您有類似的仿真分析或培訓需求，請填寫需求表單，我們會盡快安排相應的專家和您取得聯系，爲您提供詳細的免費技術咨詢服務。
*項目服務需求與目標
*公司名稱
*聯系人
*聯系電話
中國 +86
職務
提交需求
Ansys Fluent气动噪声分析/
风扇叶片气动噪声分析
