离心风机气动噪声模拟-2011.7.29

FFT-ACTRAN

离心风机气动噪声模拟李奇博士

目录常用风机/压缩机类型原始结构几何模型与噪声问题描述ACTRANAero-acoustics湍流噪声分析流程与原理CFD非定常流动模拟 CFD网格划分与Fluent建模 CFD模拟结果CAA湍流噪声分析 ACTRANAero-acoustics模型 CAA网格划分与ACTRAN建模 ACTRAN-iCFD提取噪声源(Lighthill/Mohring)和导入流场(Mohring) ACTRANAero-acoustics频域分析结果常用风机/压缩机类型风机和压缩机按工作原理可分为三类：容积式，包括活塞式和回转式，后者又可分为滑片式、罗茨式和螺杆式。叶片式，又称透平式，包括离心式、混流式、轴流式和横流式。喷射式按排气压强（以绝对压强计算）的高度，输送气体的机械可分为通风机，排气压强低于11.27*104Pa鼓风机，排气压强在(11.27~34.3)*104Pa压缩机，排气压强高于34.3*104Pa常用风机/压缩机类型常用风机/压缩机类型常用风机/压缩机类型依靠离心力和旋涡双重作用原理进行工作的，不同于单纯依靠离心力作用进行增压的装置，其出口压力较普通的空气压缩机较大，认为是一种叶片式回转机械。瑞士OpconAutoRotorAB公司以双螺杆压缩机的基本机构制造了燃料电池的空气压缩机，以其OAl050压缩机为例，每转排量0.5升，外形尺寸232x92x135(mm)，最高转速18000rpm，最大流量8.3m3/min，质量4.8千克，使用永磁材料的同步直流电机直接驱动。西安交通大学压缩机研究所在“十五”863计划“电动汽车重大专项”中的“燃料电池发动机”课题中，研制了可以应用于燃料电池的LG300型无油螺杆空气压缩机。其样机转速为3000rpm时，排气量为5m3/min。浙江大学流体传动与控制国家重点实验室对燃料电池用空气压缩机作了数年的研究。研制了一系列基于螺杆结构的空气压缩机，排气量在3～6m3/min，转速在3000转左右，排气压力为2个标准大气压(表压)。常用风机/压缩机类型西安交通大学对无油涡旋压缩机在燃料电池系统中的应用有过研究，其样机转速在5000rpm时，排气量为100m3/h(1.66m3/min)。美国Scroll公司主要设计涡旋结构的燃料电池空气压缩机，其第二代样机实现满足50kW燃料电池的需求，提供了76g/s的排气量，体积为27公升，质量为36kg(不包括电机)。随后研制了涡轮和涡旋混合结构的空气压缩机。样机在3.2标准大气压(绝对压力)下，提供76g/s的排气量，体积为9公升，质量为12kg，功耗5.1kw。常用风机/压缩机类型常用风机/压缩机类型美国HoneyWell公司设计了用于燃料电池的涡轮压缩机。样机最大转数为110krpm，排气量76g/s，排气压力大约在2.25标准大气压(表压)左右。其质量小于8.2公斤，体积为9.9公升。但是在整机的可靠性，无故障运行时间以及小流量供气等方面还存在一些问题。离心风机气动噪声计算典型离心风机模型研究对象—离心风机几何模型离心风机气动噪声问题工况说明： 【1】离心风机结构如上页图所示； 【2】进口为均匀流场，叶轮转速为3495rpm/min，进口流量为 6.42kg/min，进口温度为20度，进口空气密度为1.2kg/m3； 【4】不考虑叶轮叶片的变形，未考虑进出口管道需求：离心风机工作产生的湍流噪声响应最大噪声响应的频率和量级TheACTRANsoftwaresuiteACTRANVibro-AcousticsACTRANTMACTRANAcousticsACTRANDGMACTRANVIACTRANforNASTRANACTRAN

/Aero-acoustics湍流噪声计算流程CFD-LES/DES非定常流场分布压力，速度，密度，等…ACTRAN-iCFD根据CFD计算结果通过Lighthill或Mohring声类比提取湍流噪声源

通过傅里叶变换将时域结果变换到频域ACTRAN-

Aero-acoustics

传播iCFD计算出的流动声源

计算声场分布以及指定位置的声学变量ACTRAN-VI计算数据后处理，声场云图及频谱显示FromCFDtoCAA...ACTRAN/

Aero-acoustics计算原理

CFD计算(URANS,LES,DNS,…)确定非定常流场根据非定常流场计算结果提取流动噪声源Lighthill声类比Möhring声类比体声源区域WsCAA计算域W(Actran/AA,FEM)无反射边界Ge控制面/面声源Gs测量点ACTRAN提供的声类比类型LighthillAnalogy线性声场，流场与声场没有耦合低马赫数(Ma<0.2~0.4)高雷诺数(Re~106)均匀介质声传播MohringAnalogy非线性声场，对流影响声场较强平均流动高雷诺数(Re~106)非均匀介质声传播Lighthill/Mohring声类比-有限元变分以Lighthill声类比为例有限元变分弱解形式产生两组源项，体积源(VolumeSource)和面声源(SurfaceSource)。螺旋桨噪声问题中，通过在CFD转静区交界面上提取面声源表达旋转区域产生的流动声源影响。CFD流场计算网格

怎样构建CFD计算网格？通过网格生成工具，例如iCEMCFD，Patran，Hypermesh等…导入几何模型生成CFD计算网格

CFD流场计算设置叶轮上共有48个叶片叶轮通过频率：3495/60*48=2796Hz动静交界面共划分240个单元每步长转动两个单元位置，即每转120个步长： Tstep=60/3495/120=1.43061516*10-4s计算的最高频率fmax=1/Tstep/2=3495Hz总共计算三圈，即总计算时间： t=60/3495*3=0.0515s频率分辨率f=1/t=19.4Hz

CFD非定常流场计算压力云图CFD非定常流场计算速度向量图CFD非定常流场计算涡量云图CAA:ACTRAN/Aero-acoustics

离心风机声学模型声学网格声传播媒质材料频域分析模型CAA:ACTRAN

/Aero-acoustics计算区域体声源区域（左图）面声源区域（右图）CAA:ACTRAN

/Aero-acoustics计算区域声传播区域（左图）无反射边界（右图）CAA:ACTRAN

/Aero-acoustics计算区域测量面（左图）测量点（右图）CAA:ACTRAN

/Aero-acoustics声学计算网格四面体声学网格声学网格要求每波长至少6个单元，要计算到3000Hz,则要求网格大小最大为340/3000/6=0.0189m，这里取0.01m。右图为Hypermesh生成的CAA计算网格，右下图为全视图，右上图为局部放大图，左下图为测量面网格

ACTRAN-iCFD提取流动噪声源ACTRAN湍流噪声分析需要根据CFD工具(例如Fluent,Star-CD,CFX等)计算得到的非定常流场提取流动噪声源ACTRAN–iCFD [1]根据流场变量通过Lighthill/Mohring声类比沿CAA网格积分计算流动噪声源 [2]通过Fourier变换将时域结果变换到频域 [3]Mohring声类比还需要将CFD流场导入到CAA计算网格上ACTRAN-iCFDLighthill声源t=0.0211731s,Lighthill体声源和面声源map图LighthillSurfaceSourceLighthillVolumeSourceLighthill声源f=109.048Hz,Lighthill体声源和面声源map图LighthillSurfaceSourceLighthillVolumeSourceCAA模拟结果离风机中心1m处声压级频谱图(SPLindB)CAA模拟结果

声压级云图(SPLindB)-109.048HzCAA模拟结果

声压级云图(SPLindB)-109.048Hz计算结果说明鉴于计算时间及计算资源的要求，CFD计算只计算了0.0515s，增加计算时间可提高噪声频率分辨率，使计算结果更精确；前面的计算结果未考虑壳体对声音传播的影响，故计算结果与试验值会有偏差；考虑壳体的影响可以结合ActranVibro-Acoustis进行进一步的计算，在后期分析中将加入蜗壳的影响。如关心这方面应用，请联系作者；本次计算只是单独考虑离心风机本身的气动噪声。但由于位于汽车上的离心风机还有复杂的管路系统及周围环境，因此若在建模时将相关部件都考虑进去将使结果更加可靠。总结支持主流CFD软件的数据格式，包括Star-CD,Star-CCM+,Fluent,CFX,Powerflow，AcuSolve,OpenFOAM。提取近体流动源项(速度、密度、压力)，体声源意味着更高的精度。Lighthill声类比(低速流动)及Möhring声类比(高速流动)为CAA分析提供了