離心風(fēng)機(jī)氣動噪聲模擬-2011.7.29

FFT-ACTRAN

離心風(fēng)機(jī)氣動噪聲模擬李奇博士

目錄常用風(fēng)機(jī)/壓縮機(jī)類型原始結(jié)構(gòu)幾何模型與噪聲問題描述ACTRANAero-acoustics湍流噪聲分析流程與原理CFD非定常流動模擬 CFD網(wǎng)格劃分與Fluent建模 CFD模擬結(jié)果CAA湍流噪聲分析 ACTRANAero-acoustics模型 CAA網(wǎng)格劃分與ACTRAN建模 ACTRAN-iCFD提取噪聲源(Lighthill/Mohring)和導(dǎo)入流場(Mohring) ACTRANAero-acoustics頻域分析結(jié)果常用風(fēng)機(jī)/壓縮機(jī)類型風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)按工作原理可分為三類：容積式，包括活塞式和回轉(zhuǎn)式，后者又可分為滑片式、羅茨式和螺桿式。葉片式，又稱透平式，包括離心式、混流式、軸流式和橫流式。噴射式按排氣壓強(qiáng)（以絕對壓強(qiáng)計算）的高度，輸送氣體的機(jī)械可分為通風(fēng)機(jī)，排氣壓強(qiáng)低于11.27*104Pa鼓風(fēng)機(jī)，排氣壓強(qiáng)在(11.27~34.3)*104Pa壓縮機(jī)，排氣壓強(qiáng)高于34.3*104Pa常用風(fēng)機(jī)/壓縮機(jī)類型常用風(fēng)機(jī)/壓縮機(jī)類型常用風(fēng)機(jī)/壓縮機(jī)類型依靠離心力和旋渦雙重作用原理進(jìn)行工作的，不同于單純依靠離心力作用進(jìn)行增壓的裝置，其出口壓力較普通的空氣壓縮機(jī)較大，認(rèn)為是一種葉片式回轉(zhuǎn)機(jī)械。瑞士OpconAutoRotorAB公司以雙螺桿壓縮機(jī)的基本機(jī)構(gòu)制造了燃料電池的空氣壓縮機(jī)，以其OAl050壓縮機(jī)為例，每轉(zhuǎn)排量0.5升，外形尺寸232x92x135(mm)，最高轉(zhuǎn)速18000rpm，最大流量8.3m3/min，質(zhì)量4.8千克，使用永磁材料的同步直流電機(jī)直接驅(qū)動。西安交通大學(xué)壓縮機(jī)研究所在“十五”863計劃“電動汽車重大專項”中的“燃料電池發(fā)動機(jī)”課題中，研制了可以應(yīng)用于燃料電池的LG300型無油螺桿空氣壓縮機(jī)。其樣機(jī)轉(zhuǎn)速為3000rpm時，排氣量為5m3/min。浙江大學(xué)流體傳動與控制國家重點實驗室對燃料電池用空氣壓縮機(jī)作了數(shù)年的研究。研制了一系列基于螺桿結(jié)構(gòu)的空氣壓縮機(jī)，排氣量在3～6m3/min，轉(zhuǎn)速在3000轉(zhuǎn)左右，排氣壓力為2個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(表壓)。常用風(fēng)機(jī)/壓縮機(jī)類型西安交通大學(xué)對無油渦旋壓縮機(jī)在燃料電池系統(tǒng)中的應(yīng)用有過研究，其樣機(jī)轉(zhuǎn)速在5000rpm時，排氣量為100m3/h(1.66m3/min)。美國Scroll公司主要設(shè)計渦旋結(jié)構(gòu)的燃料電池空氣壓縮機(jī)，其第二代樣機(jī)實現(xiàn)滿足50kW燃料電池的需求，提供了76g/s的排氣量，體積為27公升，質(zhì)量為36kg(不包括電機(jī))。隨后研制了渦輪和渦旋混合結(jié)構(gòu)的空氣壓縮機(jī)。樣機(jī)在3.2標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(絕對壓力)下，提供76g/s的排氣量，體積為9公升，質(zhì)量為12kg，功耗5.1kw。常用風(fēng)機(jī)/壓縮機(jī)類型常用風(fēng)機(jī)/壓縮機(jī)類型美國HoneyWell公司設(shè)計了用于燃料電池的渦輪壓縮機(jī)。樣機(jī)最大轉(zhuǎn)數(shù)為110krpm，排氣量76g/s，排氣壓力大約在2.25標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(表壓)左右。其質(zhì)量小于8.2公斤，體積為9.9公升。但是在整機(jī)的可靠性，無故障運行時間以及小流量供氣等方面還存在一些問題。離心風(fēng)機(jī)氣動噪聲計算典型離心風(fēng)機(jī)模型研究對象—離心風(fēng)機(jī)幾何模型離心風(fēng)機(jī)氣動噪聲問題工況說明： 【1】離心風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)如上頁圖所示； 【2】進(jìn)口為均勻流場，葉輪轉(zhuǎn)速為3495rpm/min，進(jìn)口流量為 6.42kg/min，進(jìn)口溫度為20度，進(jìn)口空氣密度為1.2kg/m3； 【4】不考慮葉輪葉片的變形，未考慮進(jìn)出口管道需求：離心風(fēng)機(jī)工作產(chǎn)生的湍流噪聲響應(yīng)最大噪聲響應(yīng)的頻率和量級TheACTRANsoftwaresuiteACTRANVibro-AcousticsACTRANTMACTRANAcousticsACTRANDGMACTRANVIACTRANforNASTRANACTRAN

/Aero-acoustics湍流噪聲計算流程CFD-LES/DES非定常流場分布壓力，速度，密度，等…ACTRAN-iCFD根據(jù)CFD計算結(jié)果通過Lighthill或Mohring聲類比提取湍流噪聲源

通過傅里葉變換將時域結(jié)果變換到頻域ACTRAN-

Aero-acoustics

傳播iCFD計算出的流動聲源

計算聲場分布以及指定位置的聲學(xué)變量ACTRAN-VI計算數(shù)據(jù)后處理，聲場云圖及頻譜顯示FromCFDtoCAA...ACTRAN/

Aero-acoustics計算原理

CFD計算(URANS,LES,DNS,…)確定非定常流場根據(jù)非定常流場計算結(jié)果提取流動噪聲源Lighthill聲類比M?hring聲類比體聲源區(qū)域WsCAA計算域W(Actran/AA,FEM)無反射邊界Ge控制面/面聲源Gs測量點ACTRAN提供的聲類比類型LighthillAnalogy線性聲場，流場與聲場沒有耦合低馬赫數(shù)(Ma<0.2~0.4)高雷諾數(shù)(Re~106)均勻介質(zhì)聲傳播MohringAnalogy非線性聲場，對流影響聲場較強(qiáng)平均流動高雷諾數(shù)(Re~106)非均勻介質(zhì)聲傳播Lighthill/Mohring聲類比-有限元變分以Lighthill聲類比為例有限元變分弱解形式產(chǎn)生兩組源項，體積源(VolumeSource)和面聲源(SurfaceSource)。螺旋槳噪聲問題中，通過在CFD轉(zhuǎn)靜區(qū)交界面上提取面聲源表達(dá)旋轉(zhuǎn)區(qū)域產(chǎn)生的流動聲源影響。CFD流場計算網(wǎng)格

怎樣構(gòu)建CFD計算網(wǎng)格？通過網(wǎng)格生成工具，例如iCEMCFD，Patran，Hypermesh等…導(dǎo)入幾何模型生成CFD計算網(wǎng)格

CFD流場計算設(shè)置葉輪上共有48個葉片葉輪通過頻率：3495/60*48=2796Hz動靜交界面共劃分240個單元每步長轉(zhuǎn)動兩個單元位置，即每轉(zhuǎn)120個步長： Tstep=60/3495/120=1.43061516*10-4s計算的最高頻率fmax=1/Tstep/2=3495Hz總共計算三圈，即總計算時間： t=60/3495*3=0.0515s頻率分辨率f=1/t=19.4Hz

CFD非定常流場計算壓力云圖CFD非定常流場計算速度向量圖CFD非定常流場計算渦量云圖CAA:ACTRAN/Aero-acoustics

離心風(fēng)機(jī)聲學(xué)模型聲學(xué)網(wǎng)格聲傳播媒質(zhì)材料頻域分析模型CAA:ACTRAN

/Aero-acoustics計算區(qū)域體聲源區(qū)域（左圖）面聲源區(qū)域（右圖）CAA:ACTRAN

/Aero-acoustics計算區(qū)域聲傳播區(qū)域（左圖）無反射邊界（右圖）CAA:ACTRAN

/Aero-acoustics計算區(qū)域測量面（左圖）測量點（右圖）CAA:ACTRAN

/Aero-acoustics聲學(xué)計算網(wǎng)格四面體聲學(xué)網(wǎng)格聲學(xué)網(wǎng)格要求每波長至少6個單元，要計算到3000Hz,則要求網(wǎng)格大小最大為340/3000/6=0.0189m，這里取0.01m。右圖為Hypermesh生成的CAA計算網(wǎng)格，右下圖為全視圖，右上圖為局部放大圖，左下圖為測量面網(wǎng)格

ACTRAN-iCFD提取流動噪聲源ACTRAN湍流噪聲分析需要根據(jù)CFD工具(例如Fluent,Star-CD,CFX等)計算得到的非定常流場提取流動噪聲源ACTRAN–iCFD [1]根據(jù)流場變量通過Lighthill/Mohring聲類比沿CAA網(wǎng)格積分計算流動噪聲源 [2]通過Fourier變換將時域結(jié)果變換到頻域 [3]Mohring聲類比還需要將CFD流場導(dǎo)入到CAA計算網(wǎng)格上ACTRAN-iCFDLighthill聲源t=0.0211731s,Lighthill體聲源和面聲源map圖LighthillSurfaceSourceLighthillVolumeSourceLighthill聲源f=109.048Hz,Lighthill體聲源和面聲源map圖LighthillSurfaceSourceLighthillVolumeSourceCAA模擬結(jié)果離風(fēng)機(jī)中心1m處聲壓級頻譜圖(SPLindB)CAA模擬結(jié)果

聲壓級云圖(SPLindB)-109.048HzCAA模擬結(jié)果

聲壓級云圖(SPLindB)-109.048Hz計算結(jié)果說明鑒于計算時間及計算資源的要求，CFD計算只計算了0.0515s，增加計算時間可提高噪聲頻率分辨率，使計算結(jié)果更精確；前面的計算結(jié)果未考慮殼體對聲音傳播的影響，故計算結(jié)果與試驗值會有偏差；考慮殼體的影響可以結(jié)合ActranVibro-Acoustis進(jìn)行進(jìn)一步的計算，在后期分析中將加入蝸殼的影響。如關(guān)心這方面應(yīng)用，請聯(lián)系作者；本次計算只是單獨考慮離心風(fēng)機(jī)本身的氣動噪聲。但由于位于汽車上的離心風(fēng)機(jī)還有復(fù)雜的管路系統(tǒng)及周圍環(huán)境，因此若在建模時將相關(guān)部件都考慮進(jìn)去將使結(jié)果更加可靠。總結(jié)支持主流CFD軟件的數(shù)據(jù)格式，包括Star-CD,Star-CCM+,Fluent,CFX,Powerflow，AcuSolve,OpenFOAM。提取近體流動源項(速度、密度、壓力)，體聲源意味著更高的精度。Lighthill聲類比(低速流動)及M?hring聲類比(高速流動)為CAA分析提供了