Actran风机类旋转机械噪声分析方案

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背景

近年来，风机类旋转机械如散热风扇、压缩机、水泵、螺旋桨等设备的噪声越来越受到人们的关注，噪声指标慢慢成为风机类产品出厂的重要指标，时刻考验着设计人员和分析人员敏感的神经。设计研发出低噪声的风机类产品便可以成为市场上的一大卖点，如近年来空调研发企业的低噪音空调，某品牌低噪音榨汁机等等。

工业产品如机载设备在工作过程中由于通风、散热的需要通常会配备风机装置。风机设备运行过程中由于叶片的周期性转动以及带动附近空气的流动会产生频谱特定的噪声源。风机噪声源通过一定的传递路径，如机箱、流道等传到外部对环境噪声形成重要贡献。为了有效控制整机工作过程中的整体噪声值，设计人员需要有目的性的对风机噪声进行研究，主要包括对噪声的预测以及对降噪手段的设计。

风机噪声特点

按照风机的类型，主要可以分为两大类：轴流风机以和离心风机。二者特点如下图所示：

轴流风机与离心风机特点

对于任何风机，其气动噪声频谱主要有由两类频率内容构成，如下图所示：

（1）叶片通过频率噪声 : 由于叶片的周期性转动导致的在特定基频与倍频的离散噪声。

该部分噪声与叶轮的旋转有关。特别在高速、低负荷情况下，这种噪声尤为突出。离散噪声是由于叶片周围不对称结构与叶片旋转所形成的周向不均匀流场相互作用而产生的噪声。一般认为有以下几种：

-进风口前由于前导叶或金属网罩存在而产生的进气干涉噪声；

-叶片在不光滑或不对称机壳中产生的旋转频率噪声；

-离心出风口由于蜗舌的存在或轴流式风机后导叶的存在而产生的出口干涉噪声。

离散噪声具有离散的频谱特性，基频噪声最强，高次谐波依此递减。

（2）宽频涡流噪声: 由湍流产生的宽频噪声，在整个频率区间内无非常明显的起伏。

宽频涡流噪声是由气流流动时的各种分离涡流产生的，一般认为有 4 种成因：

-当具有一定的来流紊流度的气流流向叶片时产生的来流紊流噪声；

-气流流经叶片表面由于脉动的紊流附面层产生的紊流边界层噪声；

-由于叶片表面紊流附面层在叶片尾缘脱落产生的脱体旋涡噪声；

-轴流通风机由于凹面压力大于凸面而在叶片顶端产生的由凹面流向凸面的二次流被主气流带走形成的顶涡流噪声。

风机的典型噪声频谱构成

风机噪声传播路径

风机噪声主要由上面章节提到的叶片通过频率噪声产生，通过空气介质传到周围环境中。除此之外，风机的安装环境会对风机噪声产生影响：如反射、隔声、吸声作用等。若不考虑安装环境，

风机的噪声为直接噪声；若安装环境较为复杂则会对风机噪声产生较大影响，我们称此部分有安装产生的噪声为非直接噪声。下图列举了不同风机类型的直接噪声与非直接噪声：

测量到的风机噪声一般来源于两类传播路径：

-直接噪声（Direct noise） : 噪声不受阻挡直接传播的测点；

-非直接噪声（Indirect noise） : 噪声受到环境的反射，吸、隔声后传到测点。

风机直接噪声（红色）与非直接噪声（绿色）

不同风机类型产生的非直接噪声占比不同

对于包含机箱、流道的风机系统，一般属于高非直接噪声的系统，需要考虑：机箱对于风机噪声的影响，包括机箱隔声或内部的吸声材料；流道内若产生速度较高的湍流会引起气动噪声，或称二次噪声。

基于声学仿真技术的

风机类产品噪声模拟技术

旋转机械（风机）气动噪声仿真功能

Actran 气动噪声功能（Aero-Acoustics）一直受到广泛认可，在风机类旋转噪声，车辆风噪声，空调管路噪声，船舶螺旋桨噪声等方面都有大量应用。Actran 可以仿真旋转域的气动噪声问题，包括风扇噪声，压缩机噪声等问题。Actran 提供多种旋转机械噪声仿真方式：包括与 CFD 滑移网格计算结果联合计算宽频噪声与叶片通过频率噪声；与 CFD 的 MRF 或 NLH 仿真结果联合仿真叶片通过频率噪声；或者直接使用解析叶片噪声源，而无需 CFD 结果即可模拟叶片噪声。

Actran 与绝大多数 CFD 软件具备良好接口，如可以直接导入 FLUENT、STAR-CCM+、SC/Flow、OpenFoam、AcuSolve 的结果文件，其他 CFD 软件（如 CFX，PowerFlow 等）的结果文件可以通过Ensight Gold 或 CGNS 格式导入；软件可以在计算域中定义任何边界，模拟声反射、声透射、吸声等现象，可实现对复杂的气动-振动噪声问题的综合模拟，比如在算风机气动噪声的同时，可以计算得到风机壳体的振动结果。风机类产品的噪声研究主要采用 CFD（Computational Fluid Dynamics）+CAA（Computational Aero-Acoustics）方法，其计算方法流程如下图所示，主要技术优势在于：

-预测方法：经过精确的验证；

-效率：比单纯使用 CFD 软件进行声学计算速度更快；

-与大多数 CFD 软件有接口；

-远场声传播：通过噪声；

-与振动声学耦合计算：壳体设计。

CFD+CAA 气动噪声计算方法流程

具体分析步骤如下：

1) 建立 CFD 分析模型，提取非定常流场；

2) 建立 ACTRAN 声学分析模型；

3) 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；

4) 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；

5) 计算风扇引起的气动噪声声传播。

如下为通过 Actran 与 MSC CFD 软件 Cradle 联合仿真轴流风扇以及离心风扇的噪声与实验对比。

轴流风机噪声仿真结果

上图中红线为 MSC Cradle 与 MSC Actran 仿真结果曲线；蓝线为实验室环境下的实验测试结果。仿真与实验对比良好，尤其在 BPF 频率处，吻合度较高，两条曲线的趋势性也吻合度较高；整体上仅在较高频仿真结果低于背景噪声结果时与实验出现偏差。

离心风机噪声仿真结果

上图中，浅蓝线为 MSC Actran 声学仿真结果曲线；深蓝线为实验室环境下的实验测试结果。可以看到仿真与实验对比良好。

流道湍流气动噪声仿真功能

Actran Aero-Acoustics 精确考虑流场变化形成的复杂声学边界条件，既可以求解外声场(机翼后缘噪声，侧镜噪声，起落架噪声），也可以求解内部声场（HVAC 内部噪声，管道内流动噪声）。Actran Aero-Acoustics 基于有限元与气动声类比的方式，读取瞬态 CFD 仿真结果进行流致噪声（气动噪声、水流）的仿真模拟。

Actran SGNR 模块，即随机噪声产生和传播方法。Actran SNGR 方法基于 RANS 的平均流和湍流能量等统计性的物理量，合成随时间变化的速度场，从而可以从稳态 CFD 结果中提取气动噪声源，进行气动声场计算。这种方法具有耗费时间短，占用计算资源较小的特点。

管道出风口噪声仿真与实验结果对比

上图中，红色实线为MSC Actran声学仿真结果曲线；绿色实线为实验室环境下的实验测试结果。同样，对于流道湍流气动噪声的计算，Actran 仿真与实验对比良好。

风机在箱体内的安装效应对噪声的影响

风机的安装环境对噪声源产生较复杂的影响，一般可能包括以下若干类型（如下图所示）：

-声反射：壳体对噪声的反射，一般不是针对噪声的主动设计，可通过仿真进行评估预测；

-材料吸声：吸音材料对噪声的吸收一般在宽频上。可通过仿真主动设计，如考虑厚度、重量与吸声量的关系；

-消声器：消声器（抗性）对噪声的吸收一般在特定的频率上，可以通过仿真主动设计；

-组合降噪模组：消声器 + 吸音材料 + 穿孔板结合在一起的具备阻性和抗性的降噪模组，可通过仿真主动设计。

典型降噪手段

使用Actran可以仿真以上各类安装效应对噪声传播的影响和作用，如下图为消声器的仿真计算结果。

Actran 对消声器噪声性能仿真-声压分布图

结论

风机作为通用机械在工农业生产及日常生活中具有广泛的应用，提高其设计效率、降低其运行噪声和振动具有很大现实意义。风机噪声是其重要的质量指标，它即是考核产品对环境噪声污染的量化指标，也可以反映风机类产品的设计和制造质量。同时，噪声影响人们的工作学习和身体健康。

实际上，在中国城市区域环境噪声标准中，已经于 2008 年 10 月 1 号国家环境保护部颁布实施了 3套新的强制性标准，对工业企业和居民生活环境噪声的排放要求做了严格的规定。此处仅列举标注名称：GB3096-2008- 《声环境质量标准》、GB12348-2008- 《工业企业厂界环境噪声排放标准》、GB22337-2008-《社会生活环境噪声排放标准》；而在特殊工作环境和军用领域，噪声标准还要高。

所以各研发单位越来越重视对风机类旋转机械类产品的噪声研究，而 MSC Actran 已经成为主流的风机气动噪声数值仿真工具。

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来源：IFD优飞迪