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汽車空調(diào)噪聲
2020-02-03 20:44:09· 來(lái)源：獨(dú)孤求靜
貫流風(fēng)機(jī)在行業(yè)里面也稱為多葉離心風(fēng)機(jī)，具有結(jié)構(gòu)緊湊加工簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。不論是汽車空調(diào)還是建筑暖通通風(fēng)設(shè)備都大量使用貫流風(fēng)機(jī)。圖1 汽車HVAC結(jié)構(gòu)雖然貫流風(fēng)機(jī)葉
貫流風(fēng)機(jī)在行業(yè)里面也稱為多葉離心風(fēng)機(jī)，具有結(jié)構(gòu)緊湊加工簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。不論是汽車空調(diào)還是建筑暖通通風(fēng)設(shè)備都大量使用貫流風(fēng)機(jī)。
圖1 汽車HVAC結(jié)構(gòu)
雖然貫流風(fēng)機(jī)葉片非常多，但是葉片弦長(zhǎng)很短，整個(gè)風(fēng)機(jī)屬于中低稠度葉片類型。中低稠度葉片在運(yùn)行中往往不能有效控制流體流動(dòng)，容易發(fā)生流動(dòng)分離等現(xiàn)象。同時(shí)旋轉(zhuǎn)葉片進(jìn)出口距離小，出口高速流體容易繞過(guò)上輪轂面回流到進(jìn)口，形成高強(qiáng)度復(fù)雜的湍流現(xiàn)象。貫流風(fēng)機(jī)內(nèi)部復(fù)雜的流動(dòng)特性使得這類風(fēng)機(jī)噪聲頻譜千變?nèi)f化，很難借鑒以往工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行聲源分析。
圖2 貫流風(fēng)機(jī)葉片結(jié)構(gòu)
少林拳：模型建立
Frank等于2011與Denso汽車空調(diào)貫流風(fēng)機(jī)進(jìn)行聲學(xué)計(jì)算。根據(jù)汽車空調(diào)不同工作模式對(duì)應(yīng)風(fēng)量分別為 270CMH, 471CMH 以及 623CMH. 風(fēng)機(jī)葉片直徑 ~300mm , 聲學(xué)測(cè)試中聲學(xué)麥克風(fēng)分布如圖3所示。測(cè)試結(jié)果表明聲壓級(jí)主要分布在200~2000Hz。
圖3 風(fēng)機(jī)工況和麥克風(fēng)測(cè)點(diǎn)
在PowerFlow軟件內(nèi)建立數(shù)值消聲室，在壁面設(shè)定聲學(xué)阻尼模擬消聲室墻壁吸聲特性，給定風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，并延長(zhǎng)出口加載風(fēng)機(jī)工作風(fēng)量。
圖4 PowerFlow數(shù)值消聲室示意圖
空間數(shù)值離散如圖5所示，在風(fēng)機(jī)附近設(shè)置加密區(qū)，其中葉片附近最小網(wǎng)格尺寸為0.6mm，蝸殼壁面網(wǎng)格尺寸為2.4mm,消聲室網(wǎng)格最大尺寸為19.2mm。
圖5 空間離散網(wǎng)格尺寸分布
寒冰神掌：流場(chǎng)結(jié)果
風(fēng)機(jī)壓差和流量分布對(duì)比如圖6所示，三個(gè)不同流量計(jì)算結(jié)果顯示當(dāng)前仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)壓差趨勢(shì)一致，但是仿真中壓差均偏低50Pa左右?？赡艿脑蚴悄Ｐ筒町愐约皵?shù)值空間離散精度不足。
圖6 風(fēng)機(jī)壓差和風(fēng)力分布對(duì)比
瞬態(tài)壓力和速度分布對(duì)比結(jié)果顯示蝸殼出口壓力壓力區(qū)域穩(wěn)定，速度分布表明蝸舌附近流場(chǎng)脈動(dòng)最明顯，主要是因?yàn)樾D(zhuǎn)葉片與蝸舌周期性動(dòng)靜干涉作用。
圖7 瞬態(tài)壓力和速度分布對(duì)比
蝸舌處平均流場(chǎng)速度分布如圖8所示，整個(gè)葉片流道內(nèi)發(fā)生明顯的流動(dòng)分離并在葉片出口附近形成明顯的速度差，并在下游逐漸發(fā)展為漩渦結(jié)構(gòu)。
圖8 蝸舌處平均流場(chǎng)速度分布
風(fēng)機(jī)內(nèi)渦系結(jié)構(gòu)分布顯示高壓差（OC3）工況中進(jìn)口回流明顯，這股回流會(huì)增加流動(dòng)損失降低風(fēng)機(jī)效率。進(jìn)口回流湍流強(qiáng)度高會(huì)顯著增加當(dāng)?shù)孛}動(dòng)強(qiáng)度，往往形成頻譜中的駝峰現(xiàn)象。
圖9 渦系結(jié)構(gòu)分布
獅吼功：聲學(xué)結(jié)果
基于LBM求解器的PowerFLOW數(shù)值耗散非常低，可以直接求解聲波以及聲傳播過(guò)程。下圖瞬態(tài)壓力脈動(dòng)顯示風(fēng)機(jī)聲源向空間輻射過(guò)程，聲波在空間傳播過(guò)程中聲壓強(qiáng)度逐漸降低。
圖10 聲源空間輻射過(guò)程
麥克風(fēng)A點(diǎn)1/3倍頻程頻譜對(duì)比如圖11左圖所示，仿真和測(cè)試結(jié)果在2500Hz以內(nèi)趨勢(shì)和各頻段聲壓級(jí)大小均一致。超過(guò)2500Hz后仿真預(yù)測(cè)低于實(shí)測(cè)值，這是由于高頻聲波波長(zhǎng)更短，數(shù)值計(jì)算中需要更小空間網(wǎng)格尺度來(lái)控制數(shù)值耗散對(duì)聲波求解的影響。測(cè)試工況OC1四點(diǎn)麥克風(fēng)總聲壓級(jí)對(duì)比如右圖所示，其中軸向A,B,D三個(gè)麥克風(fēng)聲壓級(jí)誤差小于0.5dB, 斜向45°麥克風(fēng)C仿真結(jié)果低于測(cè)試值~2dB,很可能的原因也是當(dāng)?shù)鼐W(wǎng)格精度不足。
圖11 聲壓級(jí)頻譜和總聲壓級(jí)對(duì)比
乾坤大挪移：仿真模型調(diào)試
針對(duì)以上仿真結(jié)果風(fēng)機(jī)風(fēng)量和壓差相互關(guān)系存在的疑問(wèn)，改變空間離散尺寸設(shè)置。具體為將葉片最小網(wǎng)格尺寸下降為0.4mm,并對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)口附近進(jìn)行局部加密。網(wǎng)格加密對(duì)比如圖12,13所示。
圖12 風(fēng)機(jī)水平截面網(wǎng)格尺寸對(duì)比
圖13 風(fēng)機(jī)軸向截面網(wǎng)格尺寸對(duì)比
圖14所示為風(fēng)機(jī)壓力和風(fēng)量分布對(duì)比，結(jié)果顯示當(dāng)前網(wǎng)格加密后，仿真預(yù)測(cè)得到的風(fēng)機(jī)壓差與實(shí)測(cè)誤差小于5%，因此網(wǎng)格加密可以改進(jìn)貫流風(fēng)機(jī)壓差預(yù)測(cè)精度。
圖14 風(fēng)機(jī)壓差和風(fēng)力分布對(duì)比
風(fēng)機(jī)1/3倍頻程分布和總聲壓級(jí)對(duì)比結(jié)果如圖所示。頻譜分布結(jié)果顯示當(dāng)前模型能夠捕捉2000Hz以內(nèi)的噪聲，超過(guò)2000Hz仿真預(yù)測(cè)結(jié)果會(huì)明顯低于實(shí)驗(yàn)值?？偮晧杭?jí)對(duì)比結(jié)果顯示四個(gè)不同麥克風(fēng)仿真結(jié)果均與實(shí)測(cè)值誤差低于0.5dB。
圖15 聲壓級(jí)頻譜和總聲壓級(jí)對(duì)比
玄冥神掌：優(yōu)化方案驗(yàn)證
為了改善葉片與蝸舌之間動(dòng)靜干涉作用，修改蝸殼結(jié)構(gòu)并評(píng)估噪聲水平。下圖中綠色實(shí)線為優(yōu)化蝸殼型線。
圖16 蝸舌結(jié)構(gòu)對(duì)比
蝸舌附近500~1500Hz瞬態(tài)脈動(dòng)壓力分布對(duì)比如下圖所示。結(jié)果顯示蝸舌結(jié)構(gòu)會(huì)影響附近葉片流道內(nèi)壓力脈動(dòng)，改變蝸舌形狀和位置可以顯著降低葉片內(nèi)的壓力脈動(dòng)，從而降低噪聲源能量。
圖17 蝸舌處瞬態(tài)脈動(dòng)壓力分布
兩種蝸殼測(cè)試和仿真結(jié)果對(duì)比如下圖所示，測(cè)試結(jié)果對(duì)比顯示優(yōu)化蝸舌結(jié)構(gòu)可以降低400~2000Hz聲壓級(jí)大小，仿真結(jié)果對(duì)比顯示0~2000Hz均有明顯的降噪作用。總聲壓級(jí)對(duì)比顯示原始模型仿真和實(shí)驗(yàn)誤差較小，但是優(yōu)化模型仿真結(jié)果低于實(shí)測(cè)結(jié)果~4dB,不同模型總聲壓級(jí)趨勢(shì)實(shí)測(cè)和仿真一致。
圖18 聲壓級(jí)頻譜和總聲壓級(jí)對(duì)比
九陽(yáng)神功:噪聲源識(shí)別--獨(dú)家
貫流風(fēng)機(jī)葉片數(shù)量多，流場(chǎng)復(fù)雜使得噪聲源激勵(lì)往往是多種激勵(lì)混合。為此基于驗(yàn)證的仿真結(jié)果來(lái)逆向定位噪聲源就具有非常明顯的工程價(jià)值。下圖所示通過(guò)PowerFlow精確預(yù)測(cè)某一個(gè)貫流風(fēng)機(jī)離散噪聲頻譜特性，其中750~1050Hz是該風(fēng)機(jī)聲能量集中頻段。
圖19 聲壓級(jí)頻譜對(duì)比
基于渦聲理論以及傳遞函數(shù)方法，PowerFlow噪聲源識(shí)別技術(shù)可以輕易的定位頻譜中750~1050Hz頻段噪聲源位置，從而輔助工程實(shí)踐中制定有效降噪方案。如圖20所示當(dāng)前750~1050Hz噪聲主要來(lái)自風(fēng)機(jī)蝸殼擴(kuò)張段，進(jìn)口回流以及電機(jī)散熱腔體等。
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