即将直播：利用Fluent进行风扇流动和噪声特性仿真计算分析

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作者优秀: 优秀教师/意见领袖/博士学历/特邀专家/独家讲师
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导读：计算气动声学是研究由湍流产生噪声的问题，常见的比如风扇噪声，空调噪声，通风噪声等。为了求解湍流中小尺度的特征，需要高精度的空间和时间上的解算方法。在数值上我们既要满足足够高的采样频率，也要满足足够小的空间解析率，同时要考虑到实际项目应用中效率问题，因此对于气动噪声的仿真一直是业内难题。

5月18日19时30分，仿真秀2023旋转机械设计仿真技术系列讲座第五期将邀请资深CFD仿真工程师，仿真秀专栏作者杨仿君老师带来《Fluent旋转机械气动与噪声设计应用》公开课，详情见后文。

一、什么是旋转机械的气动噪声

1、噪声概念

在物理中，我们都学过声波是由声源振动产生的，通过空气介质传递到人耳中。声源振动使周围空气的质点交替成为密部和疏部，声波就是通过不断地密-疏-密的变换过程传递出去。

人们日常感受到的声音振动频率在20Hz以下，频率在80Hz上的就是噪声了，目前噪声正日益成为备受关注的环境污染问题之一，例如，空调室内机的噪声严重影响着人们的身心健康，降低空调噪声已经成为厂家新产品研发公关的关键技术。

2、噪声分类

旋转机械在工作时噪声主要来源于三大方面：

（1）机械噪声：产生于转子不平衡力，结构振动及部件之间摩擦，例如零部件制造和装配精度不足；

（2）气固耦合噪声：运动的气流与静止的零部件相互作用影响引发的空气振动所产生的噪声

3.气动噪声：涡流噪声：气流在叶片上的边界层脱落形成的涡流、叶片叶道内流场的紊乱，叶片尾缘处的射流-尾迹现象所产生的噪声，频率范围宽，也叫宽频噪声。旋转噪声：由于旋转部件出口气流周期性对静止部件周期冲击形成的噪声。

旋转机械气动噪声占比最大，气动噪声本质就是由于内部气流流动产生的压力脉动使空气介质形成了疏于密的交替变化，这种交替变化使空气质点产生压强波动变成声波进行传播，当声波被我们人耳捕捉时就形成了噪声。

二、Fluent在旋转机械气动噪声的应用

气动噪声与流场细节紧密相关。要理解、预测并最终能够有效控制旋转机械的气动噪声，必须能精确计算以或实验测量内部复杂的流场。

Fluent作为广泛使用的CFD软件，噪声预估方法可以正确帮助设计师认识噪声机理，为旋转机械降噪设计提供理论基础和指导原则。为此我在仿真秀原创了《Fluent旋转机械工程案例应用13讲》视频课程，希望对流体仿真程师有一定的帮助。如下图：

Fluent旋转机械工程仿真应用13讲：详解海上风机、螺旋桨、风扇、涵道、离心风机、离心泵和齿轮泵等

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气动噪声计算需要瞬态紊流场关于时间和空间的相关函数信息，例如压力的时间倒数，目前大多湍流模型仅能部分统计这些信息，Fluent计算气动噪声的流程就是在通过准确的CFD流场计算得到流场压力变化时程，用高级湍流模型直接数值模拟DNS和大涡模拟LES可以用来计算气动噪声的流场，一般的方法是在小雷诺数下采用 D N S，在高雷诺数下采用 LES 。

Fluent提供如下三种方法计算气动噪声，流程见下图。

（1）直接模拟模型CAA

Fluent CAA（Computational Aeroacoustics）模型用于预测声波在各种物质中的传播和辐射，将波动方程和流动方程联合求解。

但由于声压脉动相对于流场脉动非常小，所以Fluent CAA需要采用DNS湍流模型和非常细密的网格才能模拟，计算代价非常大，网格稍有问题精度会大打折扣，所以在工程应用较少

（2）噪声比拟模型FWH

FWH模型将波动方程和流动方程解耦，先求解流动方程，再把求解结果作为噪声源，在求解波动方程得到噪声的解析解，应用非常广泛。

例如，圆柱绕流噪声原理就是把圆柱表面划分成一个个的微元，每个微元当做一个偶极子声源，声源的强度就是脉动压力大小，然后对每一偶极子求解波动方程，得到其在声接受点处的辐射声压，再把每个偶极子所产生的声压相加，就得到了总声压。FLUENT的声学模块就是通过利用CFD的计算结果，对FW-H方程求积分解，得到圆柱绕流噪声。

（3）宽频噪声模型

三、FWH案例讲解

1、案例介绍

风扇可以用于发动机的冷却等很多场景，合理的风扇设计将极大地提高风扇的效率，但由于管道风扇内部流动非常复杂，通过理论计算对其流动进行定性分析十分困难，风洞试验虽然可以得到其流动参数和噪声特性，但也无法对流场内部的流动细节进行描述。

本案例演示如何利用Fluent进行风扇流动特性和噪声特性计算。

2、几何建模和流场计算域建立

本案例风扇外径为384mm，轮毂直径为140mm，轮毂比为0.365，8扇叶均匀分布，外流场建模充分考虑到进气试验标准，入口区长度至少为入口处管道直径的六倍；而出口区的长度则应保证至少为出口位置管道直径的十倍；至于旋转流体区，是指包含了风扇本体以及周围流场的圆柱体区域，应当保证其尺寸尽量靠近风扇叶片的直径，最终风扇模型和外流场模型分别如下图所示。

3、模型网格的划分

网格生成作为仿真计算中的关键环节，其结果直接控制了后续计算过程的效率与精度。为了保证划分结果的质量，应选择合适的网格尺寸，防止太疏或太密的网格产生，在流量梯度较大的流动区域内，应当尽量提高网格质量（高细密度，较小的歪斜度）；至于梯度小的区域可以在保证精度的基础上适当较少网格数目。

本案例旋转流体区由于包含了风扇本体且流动情况最为复杂，为了保证足够的计算精度，该区域网格尺寸最小。管道区网格尺寸较旋转区略大，最终划分结果如下图。

4、边界条件设定与旋转模型选取

完成网格生成后需进行边界条件的设置。在流动的计算过程需要设定的边界条件包括：

（1）流动入口条件：根据吸气试验的要求将流动入口设置为压力边界条件，其中入口处压值定义为大气压力，且气体沿轴线方向流动；

（2）流动出口条件：根据吸气试验的要求将流动入口设置为压力边界条件，出口压力值定义为 0，即出口处没有外界的作用；

（3）壁面边界条件：主要为通流区的管壁表面。

对风扇旋转运动的仿真则是通过 MRF 模型来实现的。Fluent 中常用的多运动坐标系模型包括：SMM（滑移网格模型）,MPM(混合面模型)以及 MRF（多重参考系模型）。考虑到风扇中气体运动属于定常流动，所以选择计算量相对较少的 MRF 基准。

作为旋转机械仿真中最常使用的模型，MRF 模型计算思路在于：将算法区间分成数个运动相互独立的子区间，先在各子部分间对流场方程进行求解，通过各部分间的交界面完成流场信息的传递。

作为 CFD 模型中唯一运动的旋转流体域，将其边界条件设定为 Fluid（流动域）。在 Fluent 软件中选择 MRF，并且将风机转速定义为坐标系的转速。

5、计算方程选择与仿真参数设置

对于风扇内部的稳态流动，采用定常计算模型进行仿真，且计算过程中不考虑重力的影响。利用 SIMPLE 方程完成速度与压力的解耦，将湍流模型定义为 RNG k-ε 的双方程模型。

在 Fluent 软件对参数进行设定时，根据实际工况将流体材料定义为空气且认为风扇内部流体不可压缩；由于流动过程中没有热能的交换所以不对能量守恒方程进行求解，只考虑流体连续方程以及动量方程。对于控制方程中的湍动能耗散项以及动量项等使用二阶迎风的离散格式，在迭代过程中使用欠松驰因子以加速收敛。

6、风扇流场计算结果分析

用Fluent软件对转速为2000rpm的风扇进行计算，得到包括速度矢量图、压力云图结果如下所示。

7、噪声分析步骤

在 Fluent 中对于风机噪声的仿真是分为两个部分先后完成的：

（1）首先使用大涡模拟模型（LES）对风扇流场中的瞬态控制方程求解获得流场的动态稳定值，通过计算结果得到风扇的噪声源（即风扇叶片上的动态载荷）；

（2）接下来则是通过求解 FW-H 模型的方法对风机载荷进行分析并得到噪声值。

8、瞬态流场仿真边界条件设定

声场仿真过程中由于其 CFD 模型与流场极为相似因此不再另行建立模型，而是对原有流场模型的边界条件进行修改。由于噪声特性的仿真属于非定常计算，虽然同样将旋转流体域设为唯一的运动区域，但是改用滑移网格模型对风扇的动叶片与静止区域进行耦合以保证瞬态计算的精确度。

在控制方程的离散过程中使用PISO 算法代替原来的 SIMPLE 方法，相比较而言 PISO 算法在原有“预测-修正”方法的基础上添加了一个再修正过程，对原有计算结果进行了二次改进，有效的提高了计算精度与方程的收敛速度。至于迭代过程中参数的设置，将时间步长设定为0.0001s，而计算的截止频率取 6000Hz，在每个时间步长内计算 40 次，迭代次数为 1000。

9、气动噪声边界条件设定与后处理

将2.2节中的计算结果与 FW-H 方程相结合在叶片表面使用二重积分获得随需要的声压值信号，在进行噪声参数设定时，以风扇本体为噪声源，而监测点则按照 GB/T2888-2008《风机和罗茨鼓风机噪声测量方法》中的规定设置，取风机前 1m 处噪声结果作为分析。

最终可以得到1m处噪声值计算结果为78dB(A)，完成声场计算过程后得到的数据是时域信号，还需使用Fluent 软件后处理功能中的快速傅立叶变换模块（FFT）完成时频转换获得声压级频谱图，如下所示。