CFD专栏丨屋顶冷水机组气动噪声分析
屋顶冷水机组噪声分析
屋顶冷水机组是商业建筑和工业设施中常见的制冷设备，其噪声并非单一来源，而是由其内部核心部件（压缩机、冷凝风机、水泵等）及辅助结构共同产生。其中冷凝风机约占30%~60%，气动噪声又可细分为：
旋转噪声（离散频率噪声）：风扇叶片周期性切割空气，形成压力脉动产生的噪声，表现为“嗡嗡”的低频轰鸣（通常200-1000Hz），传播距离远、穿透性强，易对下层建筑或周边居民区造成影响。
湍流噪声（宽带噪声）：风扇叶片表面气流分离、涡流脱落，以及气流在进风口、出风口的紊乱流动产生的噪声，频率范围广（1000-10000Hz），表现为“呼呼”的中高频噪声，近距离影响更明显。（如屋顶设备层周边）
屋顶无遮挡的开阔环境，使噪声传播路径易通过“空气传声”影响下层住户，或通过“结构传声”（机组振动传递到屋顶楼板）间接传播，尤其夜间环境噪声本底值低时，风扇噪声的干扰更突出。
冷水机组原理图
屋顶冷水机组实物图
如果噪声源距离人员较近，可以安装声屏障，或在风扇出口加装通风斗，引导气流到相反方向。
屋顶冷水机降噪措施
噪声测试方法
根据ISO 3744 测试规范，在无法满足半消声室（ISO 3745）或混响室（ISO 3741）等精密测试条件时，提供经济实用的噪声源声功率级测定方法。
被测对象为立方体，测点布置在距离设备 1m 的六个面上，高度覆盖设备全尺寸。
反射面：需为坚硬平整的地面，尺寸超出测量区域投影至少 1 米，且反射系数＞0.9（即吸声系数＜0.1）。
自由场条件：除反射面外，测量表面 10 倍距离内无其他反射物（如墙壁、障碍物），此时环境修正系数 K₂≤0.5dB 可忽略不计。
背景噪声：测量表面平均声压级需低于被测设备至少 6dB，理想情况下应低于 15dB。
噪声测点位置
冷凝风机噪声 CFD 仿真
仿真对象为某款商用冷水机组，长宽高为3.2*2*1.2米，顶部安装8个轴流风机，将气流从箱体侧面的格栅吸入经过热交换器后由顶部排出。
冷水机组实物图
冷水机组 CFD 模型
仿真计算对比2个模型：baseline 和顶部安装通风斗模型。
采用HyperMesh CFD建模和噪声后处理，ultraFluidX 求解气动噪声。
baseline
顶部安装通风斗
虚拟风洞的长宽高为50*50*25米；环境风速为0；换热器设置为多孔介质；湍流模型为 Smagorinksy LES。
总格子数量为1.3亿，物理时间3秒，采用8张V100 GPU 计算时间12.3小时。
格子尺寸空间分布
参考 ISO3744 测试规范，在水冷机组周围布置9个虚拟麦克风。
p1~p9虚拟麦克风位置
p1~p9虚拟麦克风位置
p1~p9虚拟麦克风位置
OSM 和 Virtual Fan 模型
风扇噪声仿真通常采用 OSM(OverSetMesh) 模型模拟风扇的转动，计算精度高，但是计算成本高。在本例中，仅采用了一个OSM模型，其余七个风扇采用 Virtual Fan，计算成本仅为 OSM 的1/10。
Virtual Fan 模型的不足是无法复现风扇噪声频谱曲线的 BPF 尖峰特征，因此在 CFD 计算中仅记录其中一个 OSM 风扇的信号，并进行复 制和平移，在测点位置重构出多个风扇噪声源的叠加效应。
8个 OSM 风扇模型
1个 OSM +7个 Virtual Fan 模型
FW-H 声传播模型
理论基础
Ffowcs Williams-Hawkings（FW-H）由英国学者 Ffowcs Williams 和 Hawkings 于 1969 年提出。它基于 “声学类比” 思想，将复杂的流体动力学方程转化为可求解的声学波动方程，从而高效计算远场噪声，广泛应用于航空航天、汽车、风机等工程场景。
气动噪声的直接仿真需求解包含流体运动和声波传播的全流场方程（如 Navier-Stokes 方程），但声波的能量远低于流体动能（通常差 10⁶-10⁹量级），直接求解会因数值精度问题难以捕捉噪声信号。
声学波动方程：
• 其中p为声压，c为声速，∇2为拉普拉斯算子。该方程通过线性化流体力学中的连续性方程、欧拉方程和物态方程推导而来，适用于小振幅声波的传播分析。
近场噪声 ultraFluidX 可以直接模拟，但是要求声源和麦克风之间的空间网格分辨率足够细，否则会丢失高频信号。
如果麦克风距离声源较远，直接模拟的成本就无法接受。采用 FW-H 模型将噪声源和声传播计算解耦，可以极大的节省计算量。
ultraFluidX 采用 FW-H 声源复 制功能，可以模拟多个声源叠加的场景。在本例中冷却系统包含8个风扇，仅记录其中一个（假设全部风扇具有相同气动性能），在噪声信号处理过程中将噪声源复 制和平移，在虚拟麦克风位置重构多声源的叠加效应，从而减少计算成本和信号处理的数据量。
FW-H模型的复 制粘贴
ultraFluidX 在其中一个 OSM 风扇出口空间创建 FW-H 面，对声源进行采样。
FW-H 模型对一个风扇噪声源进行信号采样
CFD 后处理
YZ切面瞬态风速
baseline
有通风斗
YZ切面瞬态风压脉动
baseline
有通风斗
XZ切面瞬态风速
baseline
有通风斗
XZ切面瞬态风压脉动
baseline
有通风斗
噪声信号处理
ultraFluidX 仿真原始数据的采样频率47.6KHz, 长度1.8秒，包含61.8K数据点。
时域噪声信号
在 HyperMesh CFD 中将9个虚拟麦克风的数据进行FFT 转换为 SPL 声压级曲线(Narrowband 8Hz)。
从频谱曲线看，有通风斗的模型 BPF 及其谐波的峰值均降低，一方面通风斗减少了多个风扇出口气流的冲撞和干扰，另一方面对噪声的传播起到屏蔽作用。
baseline
有通风斗
p9测点位于机组正上方，噪声信号最强；加装风斗后各个测点的总声压级均显著降低，背风位置的p5、p6两个角点位置噪声最低。
总声压级对比
分别对比p1~p9测点的声压级曲线，实线为baseline模型, 虚线为安装通风斗模型。
P1测点声压级曲线对比
P2测点声压级曲线对比
P3测点声压级曲线对比
P4测点声压级曲线对比
P5测点声压级曲线对比
P6测点声压级曲线对比
P7测点声压级曲线对比
P8测点声压级曲线对比
P9测点声压级曲线对比
总结
基于 LBM 算法的 CFD 软件 ultraFluidX 对某款商用水冷机组进行了气动噪声仿真分析，计算采样多GPU 加速，仿真效率高。
FW-H 用于模拟声源到麦克风位置的声传播，将噪声源和声传播计算解耦。FW-H 的声源”复 制粘贴”功能，可重构多个噪声源叠加的效果。
OSM 动网格模型可精确模拟风扇叶片的动静干涉，捕捉BPF及谐波峰值；Virtual Fan 模型仅用P-Q曲线替代，计算成本低。在多风扇的模型中，结合FW-H模型可以节省大量计算成本。
从本例看，水冷机组安装通风斗降噪效果显著，且对风扇冷却性能影响小。下一步对风扇叶片造型进行 DOE 参数优化设计，可进一步降低噪声源。
