空调压缩机舌簧阀噪声问题研究方案-艾默生

空调压缩机舌簧阀噪声问题研究方案李奇博士内容ACTRAN软件简介空调压缩机舌簧阀噪声问题研究方案ACTRAN在空调行业的应用ACTRAN软件背景世界上三款知名的声学软件ACTRAN，比利时FFT公司Sysnoise（现在的VirtualLab）,比利时LMS公司VA-ONE，法国ESI公司（由ESI公司收购的Rayon和AutoSEA整合而成）其中Sysnoise和ACTRAN均由现在的FFT公司Jean-LouisMigeot教授和Jean-PierreCoyette教授创立ACTRAN软件背景FFT和ACTRAN创立的背景两位教授开发的Sysnoise被LMS收购后，1998年选择离开！11家大公司于1999～2001年组成了ACTRAN联盟，资助两位教授开发ACTRAN，并成为第一批客户雷诺、宝马、标致、菲亚特、通用汽车等

整车企业立达（Rieter）、哈金森（Hutchinson）

汽车配件公司空客

航空壳牌石油、Glaverbel

能源、材料德国劳埃德船级社

船舶FFT参加众多科研项目，从风机噪声、轮胎噪声、航空发动机噪声到高性能计算以及产品的声学设计等。LocationsSomeAerospaceCustomersSomeAutomotiveCustomersSomeOtherReferences海基盛元声学部门咨询项目C919飞机典型结构、空调系统、机翼声学设计与优化高速列车振动、气动噪声分析核工业管道共振腔气动噪声分析、声疲劳分析高速电梯轿厢气动噪声影响分析…培训与教学声学课程噪声分析培训ACTRAN软件培训请关注TheACTRANsoftwaresuiteACTRANVibro-AcousticsACTRANAero-AcousticsACTRANTMACTRANAcousticsACTRANDGMACTRANVIACTRANforNASTRANACTRANAcoustics声学仿真工具典型应用管道中声传播声波遇到障碍物的衍射振动结构的声辐射作为其他ACTRAN高级模块的基础ACTRANVibroAcousticsACTRANAeroAcousticsACTRANTM消声器空调系统齿轮箱声辐射ACTRANVibroAcoustics振动声学仿真工具丰富的单元与材料库:声学有限元与无限元粘弹性梁单元、壳单元与实体单元，复合材料单元、薄壳单元允许考虑预应力作用(*)多孔与多孔弹性单元压电材料单元，支持换能器、声纳与噪声主动控制模拟(*)真实的激励方式:声学，运动学与动态激励随机激励：湍流边界层、扩散声场、δ相关激励，得到平均值、标准偏差、包络等高性能求解器与并行处理扬声器侧窗声传递壳体振动辐射噪声ACTRANAeroAcoustics宽带流致噪声仿真工具特性：支持大多数的CFD软件，并经过大量实验验证Lightill声类比、Möhring声类比积分插值法支持VibroAcoustics联合仿真客户：

Daimler,BMW,VW,Delphi,Visteon,JohnDeere,Brothers,PSA...风扇噪声空调管道与实验结果比较ACTRANVIACTRAN各模块的前后处理器利用其他CAE工具创建的网格，建立ACTRAN分析模型提供脚本化语言编辑功能方便快捷的后处理功能云图、频谱曲线、瀑布图、指向性曲线自动计算全局量从云图结果提取场点响应Plt2audio：将频谱曲线转换为声音文件ModelcreationandvalidationAdvancedpost-processingFRFDisplayToolACTRAN在空调行业的应用ACTRAN软件简介空调压缩机舌簧阀噪声问题研究方案ACTRAN在空调行业的应用项目背景压缩机排气过程中，舌簧阀阀片受气流冲击运动，在循环周期中与底座发生撞击。噪声成因包含排气过程产生的气动噪声以及阀片与底座的撞击声。项目规划项目预期成果阀片的动态特性阀片开启时，流场瞬态模拟阀片打开时，气流噪声仿真计算阀片关闭时，阀片撞击底座的噪声仿真计算目的验证ACTRAN软件在解决实际工程问题中的应用，及结果可靠性舌簧阀噪声的改进初步方案根据噪声源属性与特点，将舌簧阀噪声问题，分解为两个子问题：气动噪声：排气过程，阀片开启时产生的气动噪声振动噪声：阀片关闭时，撞击底座产生的噪声问题1-气动噪声模拟舌簧阀开启时，气流流经阀片产生漩涡，脱落的涡源形成较强的气动噪声。噪声源各频率成分的强度与流动的关系各异：在低频区域，随涡流的增大，气动噪声声压增大；而高频域中，气动噪声声压级主要是由流速的变化决定。ACTRANModulesACTRANVibroAcousticsACTRANAeroAcousticsACTRANTMACTRANAcousticsACTRANDGMACTRANVIACTRANforNASTRAN气动声学分析方法特点与不足方法1直接CAA方法2

混合方法CFD/FEM方法3

混合方法（F-WH、BEM）方法4

湍流模型计算资源最多一般一般最少反射效应√√××声透射结构×√××声波对流体的作用√×××求解类型瞬态瞬态瞬态稳态精确性好好好有限制Aero-Acoustics配合Vibro-Acoustics模块可以进行流动-振动声学一体化分析！ACTRANAeroAcoustics包含所有针对流致噪声仿真分析的高级属性与CFD软件的兼容Lightill声类比Möhring声类比应用:空调系统噪声螺旋桨湍流噪声Lighthill’sAnalogy:Sketch应用CFD方法(如URANS,LES,DNS,…)计算流场声源利用流场的结果求解使用Lighthill声类比方法将流体力学方程整理为波动方程形式SourcedomainWs(quadrupoles/dipoles)CAAdomainW(ACTRAN,FEM)NRBCatGeGsGeSolidboundaryatGsLighthill声类比方法从流体力学方程推导使用尽可能少的假设整理成波动方程形式，右侧为声源项：

a

为声学变量在有限元网格上可以定义边界条件任何边界条件都可使用!!!这是与其他处理方法(如Curle,FWHorBEM)相比，最大的区别Lighthill/Möhring声类比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MöhringAnalogy非线性声场，对流影响声场较强平均流动高雷诺数(Re~106)非均匀介质声传播计算步骤CFDCode湍流CFD模拟基本变量压强,速度,密度,etc…iCFD将CFD基本量转换为声源

将声源用积分法插值入声学网格

执行傅里叶转换ACTRANAero-Acoustics

计算iCFD得到声源的传播

导出预设场点的声场云图和声压值Actran/VIActran结果的后处理从CFD结果到声学结果...ACTRAN-iCFD提取流动噪声源NyquistTheorem

原始连续时间变量q(t)

离散采样时间序列q(tk)

q(t)~q(tk)ifΔt<1/(2fmax) fmax=5000Hz

Δt<0.0001sCFD非定常流场采样 fmin=1/(NΔt) fmax=1/(2Δt) Δf=fmin fmin=50Hz fmax=5000HzN=200,Δt=0.0001s积分插值法VS线性插值法线性插值法:积分插值法:CA节点(稀疏)‏信息丢失从CFD网格到CA节点的线性插值CFD网格(致密)‏CFD节点(致密)‏CA节点(稀疏)‏从CFD节点到CA网格的积分插值所有信息都被利用，避免信息丢失!气动噪声分析步骤完整的气动噪声分析流程包括CFD计算与CAA计算，详细步骤如下：建立CFD分析模型，利用URANS、LES或DES方法提取非定常流场；建立ACTRAN声学分析模型；利用ACTRAN/iCFD技术，将CFD基本量利用lighthill声类比方法转换为气动噪声源，并使用积分法插值入声学网格；利用ACTRAN/iCFD技术对声源进行傅里叶变换，将时域信号转换为频域信号；计算舌簧阀产生的气动噪声。输入参数参数名称说明舌簧阀CAD三维数模，包含前后流域（igs或stp格式）用于划分声学网格，建立声学模型进口流量流体分析需输入的流体材料属性流体密度出口总压流体密度声学分析需输入的流体材料属性声速声学计算频率范围根据感兴趣的频率范围、步长，确定CFD计算时间步、时间步数量结果输出形式频响函数(频谱曲线)计算域内流体区域任意点声压、声压级计算域外远场任意点声压、声压级声功率级云图计算域内声源强度时域、频域分布计算域内流体区域声压、声压级计算域外远场声压、声压级初步方案根据噪声源属性与特点，将舌簧阀噪声问题，分解为两个子问题：气动噪声：排气过程，阀片开启时产生的气动噪声振动噪声：阀片关闭时，撞击底座产生的噪声问题2-阀片撞击声模拟舌簧阀阀片一端固定在底座上，阀片另一端在关闭时撞击底座，阀片振动并辐射噪声。由于阀片质量远小于底座，因此两者撞击时底座的振动辐射噪声小，阀片的振动幅度大是主要辐射噪声源。ACTRANModulesACTRANAero-AcousticsACTRANTMACTRANAcousticsACTRANDGMACTRANVIACTRANforNASTRANACTRANVibro-Acoustics阀片撞击声模拟对于阀片撞击噪声分析，可以建立阀片有限元模型，使用ACTRANVibro-Acoustics模拟。边界条件与激励：一端施加位移约束阀片与底座碰撞部位施加分布压力载荷或点力载荷计算一定频率范围内的动态响应，并研究辐射声场。分析类型模态分析（可选）提取结构模态，判断是否出现声共振动态响应与辐射噪声分析声学无限元声学有限元阀片载荷输入参数参数名称说明舌簧阀阀片CAD三维数模（igs或stp格式）划分网格，建立声学模型杨氏模量声学分析需输入的阀片材料属性阻尼材料密度泊松比密度声学分析需输入的流体材料属性声速频率范围确定计算的频率范围、分析频率步长频率步长边界条件阀片固定位置的位移约束条件点力、分布压力载荷阀片撞击力结果输出形式频响函数(频谱曲线)阀片结构任意点的振动位移阀片整体均方振速计算域内流体区域任意点声压、声压级远场任意点声压、声压级辐射声功率级FRFsMapsWaterfall云图阀片结构振动位移计算域内声压、声压级计算域外远场声压、声压级工作进度表工作内容1周1周1周1周舌簧阀气流噪声

阀片撞击噪声ACTRAN在空调行业的应用ACTRAN软件简介空调压缩机舌簧阀噪声问题研究方案ACTRAN在空调行业的应用消声器排气管设计压缩机结构声学优化风扇噪声管道噪声FFT–ACTRAN空调压缩机消声器声学分析空调压缩机消声器声速172.3m/s媒质密度77.35kg/m3出口端无反射入口段声压0.2Pa,i.e.80dBFlowdistributionINLETOUTLETINLETOUTLETCase1–无流条件–传递损失传递损失CPUtimeisequaltofewminutes,withafrequencystepequalto5HzCase2–媒质流动的影响–传递损失ACTRAN在空调行业的应用ACTRAN软件简介ACTRAN在空调行业的应用消声器排气管设计压缩机内部结构优化风扇噪声管道噪声FFT–ACTRANReductionofDischargeGasPulsationofHVACCompressor双涡旋压缩机强制性干预方法当压缩机100%功率运行时，控制排气管路的脉动压力止回阀仍然有较高的脉动压力影响产品的可靠性可选择的解决方案增加排气管区域容积原始容积:0.4L改型1：增加容积到4.4L

目标降低改型1使用的4.4L容积

限制尺寸(花费，制造工艺)重量脉动压力的衰减内部压力如何控制排气噪声?几何形状模拟6种设计结构与实验结果比较脉动响应:腔体容积大小影响分析计算结果声压云图总结空腔容积可以降低到1.4L考虑到排气冲击的频率成分主要是100Hz，因此形状的影响很小可以自由的设计空间

可以满足重量控制、形状、工程造价等其他方面的诉求止回阀产生非线性>150HzACTRAN在空调行业的应用ACTRAN软件简介ACTRAN在空调行业的应用消声器排气管设计压缩机结构声学优化风扇噪声管道噪声ACTRANModulesACTRANAero-AcousticsACTRANTMACTRANAcousticsACTRANDGMACTRANVIACTRANforNASTRANACTRANVibro-Acoustics压缩机结构声学优化“GlobalAcousticalFinite-elementsimulationofscrollcompressornoisefrominternalsources”，PhilippeDugast,InternationalCompressorEngineeringConference，2008.研究目标：改善结构特性，降低噪声几何、部件、部件之间的连接不预测压缩机内部噪声源的产生机理以及传播利用有限元方法模拟声音传播，可以考虑结构部件的振动效应结构：结构方程流体：声学波动方程建立压缩机完整模型，进行声学分析。研究对象：涡旋式压缩机耦合所有内部结构，考虑以下问题：钢板之间的焊接、螺栓的连接油、制冷剂固、液、气体区域完全耦合橡胶底座，模拟压缩机放置在地面压缩机外使用半椭球体，模拟外部空气域结构部件占整个模型的50%，共26841节点，101123网格仿真模型简化说明内部结构外部壳体输入压缩过程中的压强载荷主轴轴承上的力载荷输出流体中的声场云图辐射声功率输入与输出设置辐射声功率级比较声贡献量研究研究压缩机的主要声源ACTRAN在空调行业的应用ACTRAN软件简介ACTRAN在空调行业的应用消声器排气管设计压缩机结构声学优化风扇噪声管道噪声ACTRANModulesACTRANVibroAcousticsACTRANAeroAcousticsACTRANTMACTRANAcousticsACTRANDGMACTRANVIACTRANforNASTRAN气动声学分析方法特点与不足方法1直接CAA方法2

混合方法CFD/ACTRAN方法3

混合方法（F-WH、BEM）方法4

湍流模型计算资源最多一般一般最少反射效应√√××声透射结构×√××声波对流体的作用√×××求解类型瞬态瞬态瞬态稳态精确性好好好有限制配合Vibro-Acoustics模块可以进行流动-振动声学一体化分析！HVAC离心风机FanNoise2007:PresentationofaCA