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车用风扇气动噪声的CFD分析与实测(1)


天津t 2007年9月

2007年AFC联合学术年会论文

车用风扇气动噪声的CFD分析与实测
范士杰,卢炳武,轧浩,孔祥瑞
(第一汽车集1tI:2-R技术中心。长春13001I)
摘要:囤象标准对汽车内外嘴l声提出了明确的限制.而车用岭却风崭是汽车的主要噪声辑之一.封车用风扇的气 劫噪声进行预铡分析,对于降

低汽辛噪声具有重要意义。由于噪声计算的复杂性.国内用CFD方法预袒I气动噪 声尚处于开婚阶段。一汽拄术ql,t:,pdE维CFD分析对自由空削中风扇的气动噪声进行了预测分折.采用了如下 技术:州大涡模扭引算非定常流场:滑移嗣格:声学计算采ⅢFW-H模型;井行计算。与试验结果的对比表明,

在观测点址计算预涮的声压级与试验结果吻合较好.为分析研究风扇等旋转机械的气动噪声提供了肯教的手段。
关键谝:噪声,犬涡援拟.CFD,风扇.风机.数值预捌

1引言 空气动力噪声是汽车噪声的一个重要组成部
分,对空气动力噪声的预测对于降噪具有实际意

义。实测结果指出。散热风扇是汽车的主要噪声源
之一I】l。由于噪声计算的复杂性,国内对气动噪声

的计算分析多以经验公式和简化的理论模型为主. 采用三维CFD分析的方法对气动噪声进行数值预
测尚处于开始阶段。

由于声压的量级比起流动压力非常微小(约为 104),声波的能量只占丰流能量的根小部分,加之
气动声学问题具有固有的不稳定性以及频率范围

很大.使噪声的数值计算具有较大的难度。气动声 学的计算需要分辨出小的漩涡,面这需要很高的空 闻分辨精度。高级湍流模式(如LES等)对流场育 较高的分辨.但其计算量亦很大。早期的气动声学
研究以实验为主,导出了在一定条件下适用的经验
图l几何模型 图2观测点位置

公式。在1970至1990年代,出现了一些简化的理 论模型.如几种尾迹脱落模型等[21。由于简化模型 本身固有的限制,如物理模型的简化以及对边界层 参数的平板估算等.使得其结果比较租糙。 本文采用的三维CFD方法,采用多CPU并行 计算.用太涡模拟(LES)计算流场.得到声源处 的压力脉动,然后用FW-H方法求解声学方程.得 到声音从声源到观测者赴的传播。得到了在若干观 测点处的噪声频谱.与消声室中实际测试所得频谱 进行了对比.吻合较好。所使用的方法亦适用于各 种旋转机械的气动噪声和外流场噪声的预估及设 计改进。使用的CFD软件为Fluent6
2。

图3计鼻域

采用三维不可压湍流计算非定常流场,端流模 型采用大涡模拟(LES),非耦舍聪式解法.多CPU 并行计算。非定常流场通常不易收敛,受初值和时 闸步长的影响比较太。图4为计算中力矩收敛情况, 后期反映出风扇封转轴力矩的周期性变化。流场计 算收敛后进入声学计算模块,采用FW-H模型计算 声场,定义风扇表面为声源,并给定上述2个观测
点的位置。

作者简介:范士燕,一汽拄术rI?心车身部.

E-mail:fanshijic@rdcfaw.com‰fsj043l@163

com

94天津.2007年9月

范士熹等:车用风崩‘i动噪声的CFD分析与实删


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圈4非定常渡场中力矩变化情况

计算完成后埘2个观测点的数据进行FFT变 换,绘出噪声频谱(声Ⅱ三级).及其它有关图形。 FW.H模型属于“声学类比”方法,首先用CFD 分析精确模拟声i!《f|If}近的瞬态流场.确定声源处的 压力脉动.并将声学扰动分离出来.然后通过求解
波动方程,得至Ⅱ从声源到观测点处的传播.具有如 F一些特点:

(I)观测点口f以位于计算域之外.因此只需在 声源附近有足够的CPD精度即可。 (2)允许静止和旋转/运动表面。(3)忽略声音对 流动的影响,以厦固体边界对声波的反射。

图5观测点1的计算频谱(上)和试验频谱



3计算与试验结果
根据现有风扇噪声理论[3t,风扇的气动噪声由 湍流噪声和旋转噪声组成,其qJ湍流噪声为宽带噪 声.旋转噪声由lH’片旋转引起的压力波动产生。其
基频为


戳㈣
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厂==(n:转速:z:叶片数)
60

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高次谐波为基频的倍数。对于本文算例,z=7,

n=)000。基频为秆l 16 7}lz。风扇噪声频谱应为湍
流噪声和旋转噪声二者合成。

CFD计算在2个观测点处得到的噪声(声压级) 频谱和消声室中实际测试相应的噪声(声眶级)频 谱分别如图5、图6所示,二者基本吻合.均在基 频处取得最大值,在观测点1二者最大值相差约 6dB.在观测点2二者最大值相差约5dB(计算值
均较小)。

试验在某大学的消声室独立进行。应当注意到 试验工况与计算不完全相同.计算为模拟自由空 问,试验中有电机、支架及地面的干扰.计算值与 试验值根难完全一致,计算的声压级比试验值略小
应为合理。
固6观测点2的计算频谱(上)和试验频谱

国7、图8分别为风扁表面的速度分布和压力 分布图,可见均为合理的分布。

天律t 2007年9月

范士杰等:车用风扇气动噪声的CFD分析与宴铡

4结束语
咎4内对风扇/风机空气动力噪声的讣算分析多 以经验公式和简化的理论模型为主,或以流场分析 的结果间接分析气动噪声,缺乏有效的噪声预测手 段。对于一个新的(或改进的)设计.其实际噪声 频谱,只能通过试制样鼎进行试验而得到,有较大
的成本和较长的周期。

本文用CFD方法对车用风扇的气动噪声直接 进行了数值预测.采用大涡模拟计算三维非定常漉 场(通常需要并行计算的支持).提高流场计算的 可信度,用FW-H模型计算声场.得到观测点处的 噪声颧谱,与消声室中实际测试所得频谱吻合较
好, 揭示了利用CFD分析进行空气动力噪声分析

的可行性.对于工程中改进风扇等旋转机械的设 计,降低气动噪声提供了有力的手段,对于提升产 品质量与开发能力具有实际应用价值。

……~…’……~-勰2嚣
匿s风扁表面压力分布

参考文慧

【I】孙世东等?降低汽车加速行驶车井噪声的试验研究m?

计算结果和试验结果均表明.在转速为1000客车技术?2005(I):42—44 转,分时.基频及高次谐渡有比较明显的影响.在基
[Zl刘伯秫等,CFD在轴流风机噤声颈估中的运用川,机械?
2003.30(5):29—31

频处的声题舞嚷辑最大值。对转速为3000转,分的
情形也进行了计算(图形略),结果表明,随着转 速的增大,基频及高次谐波的影响相对下降,但基

【3J饯人一r汽车发动机噪声控制p川t上海:同济大学出 版杜,1997
172

频处的声压级仍为罐大。所得噪声频谱对于设评部
们改进风扇的设计,降低气动噪声.具有重要参考
价值。

车用风扇气动噪声的CFD分析与实测
作者: 作者单位: 范士杰, 卢炳武, 轧浩, 孔祥瑞 第一汽车集团公司技术中心,长春 130011

本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Conference_6460604.aspx


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