摘要

流量臺(tái)和發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試可用于檢測(cè)流量引起的噪聲，開(kāi)發(fā)一個(gè)有效的設(shè)計(jì)來(lái)了解這種噪聲產(chǎn)生的基本機(jī)制是必要的。本文描述了計(jì)算聲學(xué)(CAA)的分析以獲得寬帶和BPF噪聲源。我們對(duì)于一個(gè)汽車(chē)散熱器風(fēng)扇總成的噪聲產(chǎn)生進(jìn)行了計(jì)算聲學(xué)仿真。對(duì)整個(gè)葉輪和護(hù)罩在內(nèi)的非定常流場(chǎng)進(jìn)行了三維計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)模擬，以獲得了2~4 kHz之間的寬帶流噪聲源。靜壓探頭分別放置在外圍和葉輪進(jìn)口側(cè)的中心，以及護(hù)罩腔處來(lái)捕獲噪聲源，對(duì)所有探頭位置的靜壓進(jìn)行FFT（快速傅里葉變換）處理，并計(jì)算聲壓級(jí)(SPL)。本文討論的CAA模擬從風(fēng)扇外圍探頭的SPL中顯示了葉片通過(guò)頻率(BPF)和寬帶噪聲的主要來(lái)源。由于葉片導(dǎo)致壓力波動(dòng)，風(fēng)扇外圍區(qū)域的BPF水平最強(qiáng)。另一方面，寬帶噪聲是尖端泄漏與罩面相互作用以及渦-渦和渦-面相互作用的結(jié)果。

介紹

隨著生態(tài)增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的出現(xiàn)，對(duì)增加功率密度的需求不斷提高。為了保持較高的功率密度需求，避免過(guò)熱問(wèn)題，冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成為一項(xiàng)重要且具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。冷卻風(fēng)扇在熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中起著重要的作用，其設(shè)計(jì)有不同的尺寸和規(guī)格，以滿(mǎn)足不同的散熱要求。此外，車(chē)輛的機(jī)艙越來(lái)越小，冷卻風(fēng)扇系統(tǒng)的包裝空間減少，這些進(jìn)一步復(fù)雜化了發(fā)動(dòng)機(jī)罩下的包裝環(huán)境、散熱器風(fēng)扇和護(hù)罩的設(shè)計(jì)，并創(chuàng)造了新的噪音、振動(dòng)和剛度(NVH)的挑戰(zhàn)。冷卻風(fēng)扇BPF和跨越聲音范圍的流動(dòng)噪聲在車(chē)輛內(nèi)部非常令人反感。冷卻風(fēng)扇噪聲通常以葉片通過(guò)頻率(BPF)及其高次諧波噪聲為主，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生可聽(tīng)到的寬帶流動(dòng)噪聲。許多冷卻風(fēng)扇NVH問(wèn)題與護(hù)罩設(shè)計(jì)或尖端間隙有關(guān)。風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)的葉尖間隙流量已得到廣泛的研究和記錄。其他噪音問(wèn)題則與風(fēng)扇的運(yùn)行條件有關(guān)。例如，寬帶噪聲是由于氣流碰撞/相互作用而在風(fēng)扇的入口或出口產(chǎn)生的氣動(dòng)湍流的結(jié)果。為了滿(mǎn)足客戶(hù)的高期望，需要在不犧牲風(fēng)扇性能的情況下解決上述每個(gè)NVH問(wèn)題。本文著重于了解葉輪周?chē)牧鲃?dòng)動(dòng)力學(xué)和與護(hù)罩表面的相互作用，采用三維計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模型，了解有護(hù)罩存在風(fēng)扇內(nèi)部和周?chē)牧鲃?dòng)動(dòng)力學(xué)，這是開(kāi)發(fā)一個(gè)有效的設(shè)計(jì)所必需的。

CFD方法

計(jì)算聲學(xué)(CAA)解決了聲壓波動(dòng)，作為計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)解決方案的一部分。在目前的CAA分析中，采用大渦模擬(LES)方法模擬湍流，并采用適當(dāng)?shù)膩喚W(wǎng)格應(yīng)力張量的渦粘度模型。計(jì)算數(shù)據(jù)是在護(hù)罩和風(fēng)扇進(jìn)口側(cè)的不同位置采集。為了保存從風(fēng)扇和護(hù)罩腔發(fā)出的聲學(xué)信息，數(shù)據(jù)監(jiān)視器被放置在噪聲源附近:風(fēng)扇葉輪和護(hù)罩腔。為了最小化聲學(xué)信息的數(shù)值耗散，我們采用了一定的網(wǎng)格密度、時(shí)間步長(zhǎng)和適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件（以最小化邊界反射）。采用基于有限體積Navier-Stokes的通用方程求解器，耦合隱式方法求解控制方程。通過(guò)簡(jiǎn)單的算法計(jì)算了壓力速度耦合，使用二階時(shí)間方案，并執(zhí)行多次子迭代，以將每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)的殘差降低到可接受值以下。因此，在不惡化解精度的情況下保持更高的庫(kù)朗數(shù)。利用整個(gè)風(fēng)扇葉輪和護(hù)罩進(jìn)行了三維循環(huán)流體力學(xué)模擬。葉輪由八個(gè)葉片組成。將散熱器建模為多孔介質(zhì)，并根據(jù)不同流量試驗(yàn)數(shù)據(jù)下的壓降計(jì)算了孔隙率。

CFD模型

型號(hào)包括風(fēng)機(jī)進(jìn)口葉輪散熱器、葉輪、護(hù)罩和風(fēng)機(jī)進(jìn)出口管，如圖1所示。

圖1. 計(jì)算域

葉輪由八個(gè)葉片組成。葉片的后緣暴露在下游的開(kāi)流中，護(hù)罩僅覆蓋了前緣區(qū)域的葉片弦長(zhǎng)度的一部分。護(hù)罩和葉片尖端之間的間隙約為1.0英寸，以補(bǔ)償車(chē)輛中的發(fā)動(dòng)機(jī)滾動(dòng)。計(jì)算域由三個(gè)區(qū)域組成，并通過(guò)任意的接口進(jìn)行連接。風(fēng)扇入口區(qū)和風(fēng)扇葉輪之間的表面，以及護(hù)罩和出口，定義了風(fēng)扇葉輪相對(duì)運(yùn)動(dòng)所需的網(wǎng)格接口。風(fēng)扇葉輪周?chē)缑嬷g的滑動(dòng)網(wǎng)格作為模擬中葉輪的實(shí)體旋轉(zhuǎn)。每個(gè)區(qū)域的網(wǎng)格參數(shù)是不同的。利用多面體網(wǎng)格對(duì)這三個(gè)區(qū)域進(jìn)行了幾何離散化。在風(fēng)機(jī)進(jìn)口規(guī)定滯止壓力邊界條件，在出口規(guī)定質(zhì)量流量。在入口，由于壓力邊界條件不可避免地對(duì)最終流動(dòng)解產(chǎn)生影響。為風(fēng)扇進(jìn)口幾何形狀增加了合理的長(zhǎng)度，以盡可能避免壓力反射效應(yīng)。護(hù)罩上游的散熱器被建模為多孔介質(zhì)，具有與車(chē)輛相同的尺寸。護(hù)罩在入口為矩形，風(fēng)扇端為圓形。在矩形端部，護(hù)罩的外部尺寸為800mm×700mm。為了消除進(jìn)出口邊界的影響，將風(fēng)機(jī)放置在較大的區(qū)域內(nèi)。計(jì)算域的長(zhǎng)度為1350mm。輻射器包含在計(jì)算領(lǐng)域中。CFD模型中使用的計(jì)算域、散熱器、護(hù)罩和風(fēng)扇的總體尺寸如圖2所示。CFD計(jì)算解的靜壓力信號(hào)在葉輪進(jìn)口側(cè)外圍和中心的“點(diǎn)”探頭采集，如圖3所示，以捕獲窄帶BPF和2~4 kHz寬帶噪聲源。本文對(duì)“點(diǎn)”探頭測(cè)量的壓力信號(hào)進(jìn)行了FFT處理，并用于光譜分布和聲壓級(jí)(SPL)的計(jì)算。CFD模擬是在2600轉(zhuǎn)/分和質(zhì)量流量4.07kg/s下進(jìn)行的。葉片通過(guò)頻率(BPF)采用公式1計(jì)算：

式中，Z為風(fēng)扇葉片數(shù)，N為風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。

圖2.散熱器和冷卻風(fēng)扇系統(tǒng)

圖3.CFD壓力測(cè)量位置

結(jié)果和討論

分析散熱器-風(fēng)扇系統(tǒng)中不同位置的風(fēng)扇外圍壓力波動(dòng)和聲壓級(jí)頻譜，捕獲窄帶BPF和寬帶2~4 kHz噪聲源。風(fēng)機(jī)周邊位置的壓力波動(dòng)如圖4所示。圖4a顯示了葉輪一次旋轉(zhuǎn)時(shí)的壓力波動(dòng)。當(dāng)風(fēng)扇葉片經(jīng)過(guò)探頭位置時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生一個(gè)壓力脈沖，因?yàn)橛?span style="font-family:Calibri;">8個(gè)葉片，在葉輪的一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)有8個(gè)脈沖。這些脈沖是典型的葉片通過(guò)脈沖，并引起窄帶葉片通過(guò)頻率噪聲。圖4b為圖4a所示壓力信號(hào)的峰谷的一個(gè)脈沖的放大圖。壓力脈沖的谷在低頻葉片通過(guò)脈沖的頂部出現(xiàn)高頻波動(dòng)。

圖4.風(fēng)機(jī)外圍位置的壓力波動(dòng)圖5顯示了圖4中所示的壓力信號(hào)的聲壓級(jí)頻譜。圖上的綠線(xiàn)是顯示平均SPL的移動(dòng)平均（或過(guò)濾）線(xiàn)。在聲壓級(jí)頻譜中，風(fēng)扇噪聲的頻譜特性主要由BPF及其諧波決定。圖5所示的光譜也顯示了在2~4 kHz的頻率范圍內(nèi)的駝峰。這種寬帶噪聲是壓力信號(hào)中高頻壓力波動(dòng)的結(jié)果，如圖4b所示.

圖5.風(fēng)扇外圍位置的聲壓級(jí)(SPL)頻譜

圖6.風(fēng)機(jī)外圍位置的不同階段的壓力變化為了了解導(dǎo)致高頻壓力波動(dòng)的流動(dòng)機(jī)制，我們研究了一個(gè)壓力脈沖在不同階段的流動(dòng)結(jié)構(gòu)。圖6顯示了在一個(gè)壓力脈沖上的時(shí)間位置，1到7。

圖7.風(fēng)機(jī)外圍壓力波動(dòng)中不同階段的速度場(chǎng)

圖8.風(fēng)機(jī)周邊壓力波動(dòng)不同階段的渦度和壓力場(chǎng)

對(duì)應(yīng)的時(shí)間流場(chǎng)如圖7所示。渦度和壓力場(chǎng)如圖8所示。圖7的圖1和7（圖7和圖8中的1、7所示）顯示了峰值壓力時(shí)的流場(chǎng)，兩個(gè)相鄰葉片的一個(gè)葉片的后緣離開(kāi)平面，下一個(gè)葉片的前緣接近平面。在離開(kāi)平面的葉片后緣，可以看到葉片尖端間隙區(qū)域的壓力和吸側(cè)的壓力差產(chǎn)生的尖端渦。圖8中渦度場(chǎng)（左柱）和靜壓場(chǎng)（右柱）輪廓的圖1、7顯示，左側(cè)葉片后緣尖端渦區(qū)域渦度較高，尖端渦區(qū)域壓力較低。圖9顯示了葉片中部平面的速度和渦量場(chǎng)的細(xì)節(jié)。葉片尖和葉片尖間隙區(qū)域的渦度幅度較高。尖端間隙的存在導(dǎo)致風(fēng)機(jī)上下游壓差形成另一條氣流，即“尖端泄漏”或反向流動(dòng)，如圖9所示。

圖9.葉片中跨平面上的速度和渦度場(chǎng)這種反向流與尖端間隙渦之間的相互作用導(dǎo)致渦向上滾動(dòng)（見(jiàn)圖9中的放大圖）。尖端渦旋的上升和它在葉片通道上的傳播造成了對(duì)通過(guò)流的阻塞。如圖7的圖2和圖3所示，后緣的尖端渦失去強(qiáng)度，尺寸變大。當(dāng)尖端渦流流向下游時(shí)，它也與護(hù)罩的尖端相互作用。風(fēng)扇葉片前緣通過(guò)壓力監(jiān)測(cè)器位置后，壓力下降，接近壓力監(jiān)測(cè)器位置（見(jiàn)圖6位置3），在圖7的圖3中可以看到通過(guò)葉片邊緣的尖端渦旋開(kāi)始。在圖7和圖8的后續(xù)圖片中，尖端渦旋的形成更為明顯。在圖7的圖4中顯示了強(qiáng)烈的渦渦（之前葉片的尖端渦和電流通過(guò)葉片的尖端渦）和渦表面（尖端渦和覆蓋表面）的相互作用。同時(shí)，新形成的尖端渦強(qiáng)度增強(qiáng)，前葉片的尖端渦減弱并向下游移動(dòng)。這可以在圖7和圖8的圖4、圖5和圖6中清楚地看到。如圖6(或圖4b)所示，壓力信號(hào)中從3到5之間的時(shí)間位置包含了高頻壓力波動(dòng)。這是渦旋-渦旋和渦旋面相互作用最強(qiáng)的區(qū)域。這種強(qiáng)烈的流動(dòng)和流動(dòng)-表面的相互作用導(dǎo)致了壓力信號(hào)中的高頻含量。如前所述，這種高壓壓力波動(dòng)含量是導(dǎo)致2~4 kHz頻率范圍內(nèi)能量增加的原因，如圖5所示。在其他位置也監(jiān)測(cè)了壓力，以確保是否有任何其他來(lái)源在2到4 kHz頻率范圍內(nèi)的能量水平。

圖10.風(fēng)機(jī)護(hù)罩不同位置聲壓級(jí)(SPL)頻譜

圖11.風(fēng)機(jī)中心位置的聲壓級(jí)(SPL)頻譜圖11顯示了葉輪中心位置的聲壓級(jí)頻譜（葉輪中心壓力監(jiān)測(cè)器見(jiàn)圖3）。在葉輪中心位置的聲壓級(jí)光譜在2到4 kHz的頻率范圍內(nèi)并沒(méi)有顯示出任何更高的能量水平。在靠近葉輪區(qū)域的護(hù)罩和輪轂中心，聲壓級(jí)譜由BPF（圖10和11）主導(dǎo)，由旋轉(zhuǎn)風(fēng)扇葉輪發(fā)出。另一方面，在風(fēng)扇外圍區(qū)域，頻譜由BPF主導(dǎo)，在2~4 kHz的頻率范圍內(nèi)存在寬帶噪聲。這種寬帶噪聲是由風(fēng)扇葉片外周和尖端間隙區(qū)域的渦-渦和渦-面相互作用引起的

結(jié)論

作為計(jì)算流體聲學(xué)(CAD)的一部分，利用計(jì)算流聲學(xué)(CAA)方法來(lái)獲得聲壓波動(dòng)。根據(jù)不同位置、護(hù)罩、葉輪中心和風(fēng)扇葉片外圍的瞬態(tài)壓力信號(hào)的FFT，計(jì)算出聲壓級(jí)(SPL)。結(jié)果顯示：(1)風(fēng)機(jī)入口周邊位置的壓力軌跡顯示了與葉片通過(guò)相關(guān)的非常規(guī)則的大規(guī)模脈沖。壓力脈沖的谷在低頻葉片通過(guò)脈沖的頂部出現(xiàn)高頻波動(dòng)。(2)風(fēng)扇外圍位置壓力軌跡的FFT表明，聲壓譜由BPF及其諧波主導(dǎo)。頻譜在2到4 kHz的頻率范圍內(nèi)也顯示出一個(gè)駝峰。這種寬帶噪聲是外圍壓力信號(hào)谷中高頻壓力波動(dòng)含量的結(jié)果。(3)強(qiáng)渦、渦、渦面相互作用引起的外圍壓力信號(hào)谷中的高頻壓力波動(dòng)，這些流動(dòng)的相互作用導(dǎo)致了2~4 kHz頻率范圍內(nèi)的寬頻帶噪聲。(4)來(lái)自護(hù)罩和輪轂中心位置的壓力信號(hào)的頻譜在2到4 kHz的頻率范圍內(nèi)沒(méi)有顯示任何駝峰或增加的能量水平。這些位置的光譜以BPF為主。

文章來(lái)源：Karim, A., Mehravaran, M., Lizotte, B., Miazgowicz, K. et al., "Computational Aero-Acoustics Simulation of Automotive  Radiator Fan Noise," SAE Int. J. Engines 8(4):2015, doi:10.4271/2015-01-1657.