某电子雾化器流道内Fluent气动噪声模拟仿真

气动噪声一般是指由气流直接产生的振幅和频率杂乱、统计上无规则的声音。它的发生原因由很多，如气体内部的脉动质量源（单极子噪声源）、作用力的空间梯度（偶极子噪声源）和应力张量的变化（四极子噪声源）等都可以产生气动噪声。它的特点是振幅频率杂乱。而这种杂乱无章的声音，会让人产生一种不满的情绪。

电子雾化器在抽吸时由于空气在狭窄的流道内流动，会产生一定的噪声。气动噪声是由于气流流过气道内表面引起的气流压力扰动产生。而在抽吸过程中产生的气动噪声会影响吸烟者的抽吸体感。目前需要对某电子雾化器在抽吸时产生噪声情况仿真，并对其结构进行优化来降低噪声。

流场计算控制方程采用RNG - 湍流模型，具体控制方程如下：

在许多工程应用中的湍流，噪声没有明显的频域，声波能量连续分布在一个宽频段范围内按频率连续分布，这就涉及到宽频噪声问题。在此声场计算问题中，采用宽频噪声模型，湍流参数通过雷诺时均方程求出，再通过半经验修正模型，计算表面单元或体积单元的噪声功率。

一、计算几何模型简化

如图1所示，左侧第一图为某电子雾化器的几何结构图。烟油储存在液室中，渗透到陶瓷雾化芯的空隙并发热膜附近被加形成。外部空气通过入口进雾化腔，将烟带走通过中心孔进入吸烟者口。根据气道中空气的流动路径，在实体模型的基础上，采用布尔运算对雾化器内气道模型进行提取，再去掉多余与无关结构，即可得到简化的气道几何模型，如图1中右侧图所示。

这里，为了方便简化计算，模型简化有以下技巧：

（1）去除冗杂的片体以及局部狭小空间，有 助于减少计算所需的网格数，并且降低仿真计算发散的风险

（2）对于对称结构，可根据相应的对称面选取部分结构进行简化计算。这样可以大大的降低计算量，提高计算速度。

图1 电子雾化器内气道模型提取

二、边界条件设置

入口设置为流量入口，出口设置为压力出口，给定一负压,其他边界设置为壁面,初始速度场为零，大气压。

三、网格划分

由于该气道结构复杂，在此采用模型四面体网格物理场控制自动生成，在壁面处进行加密处理。共划分网格单元277372个。整体的网格如下图2所示。

图2.有限元模型

四、ANSYS FLUENT的气动噪声模型设置

• 步骤1：首先选择一定的湍流模型（在这里选用的是RANS k-Epsilon湍流模型，如下图对话框所示），获得该气道模型的稳态场解。

• 步骤2：激活宽频噪声模型，如下图对话框所示，参数设置根据具体情况设置即可。

• 步骤3：在后处理模块激活噪声模型后处理得到相应的气动噪声数据。

五、计算结果分析

速度场截面图：如图3所示，在流道截面积突变的地方，会产生较大的速度场，其中：最大气流速度发生到入口处的狭窄进气通道。

压力场截面图: 如图4所示，在流道截面积突变的地方，会产生较大的速度场，其中：最大气流速度发生随着气体从下往上流动，其压力逐渐减小，这是由于给定的是压力出口边界条件，最大压力发生到入口处的进气通道.同样地，在气体通道变化处，存在较大的压力变化.

图3.三维速度场云图

图4三维压力场云图

声场强度: 如图5所示，在流道截面积突变的地方，会产生较大的速度场，其中：最大气流速度发生通过声场强度分布云图，可以看出在气道突变处会产生较大的声场强度，特别是在入口附近的弯道附近。

图5.原结构的声场强度云图

图6.优化后结构的声场强度云图

结合速度场和压力场分布，在入口弯道处，速度和压力也发生较大变化。因此，需要对入口附近弯道进行圆滑处理，尽量避免物理场的突变，降低湍流场的强度，从而降低气道噪声。

六、结构优化设计

如图6所示，为优化前后气道声场强度分布云图，通过对比可知，优化后气道的声场强度明显减小，气道噪声显著降低。

七、总结

借助ANSYS FLUENT软件工具，可以实现对各类气动噪声问题进行仿真。目前ANSYS FLUENT中可以提供的如下几种气动噪声模型：

• CAA（直接模拟模型）、

• Acoustic analogy modeling（声比模型）

• Broadband（宽频噪声模型）

用户可以根据自己的需要选取相应模型进行仿真计算。在此算例中噪声没有明显的频域，声波能量连续分布在一个宽频段范围内按频率连续分布，故选Broadband（宽频噪声模型）。从仿真结果来看，取得了预期的结果，并通过对入口附近弯道进行圆滑处理，来降低了气道内由于气体流动产生的气动噪声。

作者：王奇，仿真秀专栏作者

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