基于CFD仿真的车载空气净化器气动噪声的优化与设计

王领，王佛云，付山，李彬，李燕华

（空调设备及系统运行节能国家重点实验室，珠海 519070）

引言

随着汽车行业的飞速发展，消费者购车需求愈发旺盛。汽车作为日常使用频率较高的代步工具，顺其而然成为了消费者除家庭、办公室以外的“第三密闭空间”，因此车内空气质量越来越受到消费者们的重视。车载空气净化器因其具有高效的净化污染物，改善车内空气质量的功能，而迅速成为人们热衷的第一选择[1]。目前，市场销售的车载空气净化器种类繁多，品质参差不齐，由于消费者们过度关注其空气净化能力，而缺少对其噪声等舒适性因素的研究[2]，因此在车载空气净化器的噪音领域还有很大的研发空间。

本文为探究并解决车载空气净化器的噪声问题，将CFD仿真技术应用于产品开发初期，利用数字化结果作为设计导向，对其结构和循环系统进行优化，大大缩短了设计研发周期，也降低了开发成本；同时为车载空气净化器的噪声优化提供了有力的理论支持[3]。

1 基本理论

1.1 车载空气净化器的基本结构及工作原理

目前，市场上销售的车载空气净化器样式繁多，但大部分的结构大同小异。主要组成部件有：壳体、风机、空气过滤网等；如图1所示，本文设计了一款采用离心式风机的滤网式车载空气净化器，采用顶部进风，四周出风的方式，大大提高了空气过滤网的利用效率，使得该款产品的空气净化能力也大幅提高；该产品的主体结构主要由悬浮板、上顶盖，滤网，风机，底壳和控制器组成。

图1 车载空气净化器结构图

车载空气净化器的工作原理是电动机产生的机械能通过叶轮转换为使空气流动的动能，车内流动的空气通过空气过滤网，进而使空气中掺杂的各种污染物被清除或吸附，最终达到净化空气的目的。

1.2 离心风机气动噪声产生机理

车载空气净化器运行过程中主要的运转部件是风机系统，对于离心式风机而言，其运转过程中产生的噪声主要包括空气动力噪声、机械噪声及气体和固体弹性系统相互作用产生的气固耦合噪声[4]。

由于车载空气净化器自身的结构特点，运行过程中很少涉及机械噪声，主要是空气动力噪声；旋涡噪声是空气动力噪声的一种，又被称为紊流噪声或涡流噪声，它是叶轮在旋转过程中，叶轮叶片与气体相互作用、耦合所辐射的宽频带噪声；具体是由于靠近叶片出口处的边界层脱体、气流在蜗壳中扩压流动时的脱体、叶片进口处流动分离和偏离最佳工况时流动的恶化等造成的[5]。

根据以上机理，以及结合车载空气净化器的结构特点，本文分析出车载空气净化器的噪声可能与风叶旋转的流场相关。

2.3 CFD仿真基本理论

CFD仿真常用的数值方法有有限差分法、有限体积法、有限元法及有限分析法，其中，有限体积法能在特定体积内很好的导出具有守恒特性的连续性方程，其离散方程系数的物理意义明确，是目前CFD数值计算中应用最为广泛的一种。CFD仿真的操作流程细节因不同的软件而存在差异，但主要流程相同；如图2所示，是基于ANSYS Workbench 平台下的Fluent进行CFD仿真的基本流程[6,7]。

图2 CFD仿真流程图

2 CFD仿真及实验验证

2.1 几何模型简化

车载空气净化器仿真计算模型建立包括实体几何模型的建立、仿真计算域的建立及网格模型的建立三部分内容，其中每一环节都能影响到后续的仿真结果。本文所用到的车载空气净化器整体模型的长宽高分别为180 mm、158 mm、60 mm。

产品运行时主要的运动部件是电机和离心风叶，而其产生的异常噪音主要是电机声、风机本身的旋转噪声以及风叶和外壳等构成的风道中产生的低频噪声。因此，在对其进行流体仿真时，需要将模型中可能因流体流动产生噪声的构件保留，去除滤网、控制器等次要构件；同时，为了减少网格的数量，提升网格质量，需要简化风机和底座的外观细节特征。为了保证仿真精度，凸显车载空气净化器仿真前后的结果对比，在简化模型的过程中，保留了风叶和底座的主要特征，如图3所示。

图3 模型处理图

2.2 模型网格划分及计算域的建立

车载空气净化器内部计算域的网格如图4所示，网格采用非结构化四面体网格，对风轮小面处进行了不同尺寸网格的划分，以提高数据传递的效率。网格总数为306.6万，质量在0.22以上，质量良好，可满足计算要求。为计算整机流体的传质过程，需对整机及运行时的进风和出风流域进行设置，空气与整机流道的传质过程可采用流固耦合模型进行计算，如图4所示。

图4 网格划分与整机计算域设置

2.3 流体控制方程

本研究中，空气被假设成不可压缩黏性流体，无热量传递，仅需考虑质量与动量守恒，即仅需求解连续方程与 Navier-Stokes 方程：

式中：

ρ—空气的密度，kg/m3；

i、j—运动维度；

u—速度，m/s；

p—压强，Pa；

μ—空气的黏度，Pa·s；

S—动量源项，N/m3。

此外，选用工程中常用的 RNG k-ε湍流模型对控制方程进行封闭求解。

2.4 相关边界条件设置

车载空气净化器循化系统为：内部风轮高速旋转，产生压强差，快速吸入悬浮盖的外部空气，在风轮的带动下，空气进一步被带动甩出，最后由整机底部格栅中流出。在Fluent中定义边界条件，假设风道内部气体为稳态不可压缩流体，设定气固界面无滑动边界，由于循环风流出的流动速率未知，因此采用压力入口为边界条件，风机旋转速度为4 000 rpm。

2.5 仿真结果分析及噪声整改方案

图5～7分别为整机运行时的流场图，主要从流线、湍动能以及压力三个维度进行展示仿真结果，图中左侧均为优化前仿真结果，右侧为优化方案后仿真结果。从图5中的流线图可以看出，在控制器盒边角处的流线明显密集，表明此处的流场分布不均匀，容易造成压力梯度变化大。图6的湍动能分析结果可以得出，风轮区域有明显的湍动能骤变区域，容易造成流场脉动。从图7中的压力云图可以分析出，左侧电器盒边缘处有明显的压力脉动，且压力分布不均匀。

图6 整机优化前后湍动能图

图7 整机优化前后压力云图

根据以上三个维度的分析结果，可以得出，当电器盒边角为尖角时（即图5～7中左侧），仿真的结果均表明风轮的流场有明显的分布不均匀，有些区域湍动能，压力偏高，此结果也进一步表明风轮流场分布不顺畅，很容易造成流场紊乱。基于气动噪声产生的机理，流场压力脉动突然变化较大，很容易造成风叶尾翼的边界层脱落，进而进一步扰乱流场，最终产生气动噪声。

为解决上述噪声问题，本文深入研究，结合仿真计算结果，提出如下方案。由于车载空气净化器的尺寸限制，风轮和电器盒的位置无法改变，因此只能改变风轮和电器盒的相对形态。根据上述仿真和分析结果，针对电器盒尖角位置进行改模处理，由原来的尖角改成目前的圆角，根据流线和流场，不断优化圆角角度。整改完成后，针对圆角方案进行整机仿真，结果如图5～7右侧所示，与优化前进行对比，发现圆角方案的流线、湍动能以及压力分布均有所减缓，明显优于尖角方案。

图5 整机优化前后仿真流线图

3 实验测试验证

通过仿真分析后，提出了一种最终的优化方案，即对电器盒的尖角位置进行优化处理；本研究针对优化方案进行了手板打样验证，并分别对两种方案的整机进行噪音测试，对比前后噪音总值，峰值，声功率级，具体结果如表1所示。通过表中数据，可以分析得出，原方案整机声功率级为53.6 dB，较优化后的方案大1.5 dB；原方案总值和峰值相差8.7 dB，优化后的方案总值和峰值相差15.8 dB。总值和峰值相差越多，表明峰值在总值中所占的比例越小，进一步表明整机噪音峰值不突出，整体音质体验较好。优化后的方案整体噪音水平优于竞品。

表1 车载空气净化器实验方案验证表 单位：dB（A）

4 总结

针对车载空气净化器的全新流道系统和特殊结构，并通过气动噪声理论，解释了其工作原理和气动噪声产生的机理。本研究将CFD仿真技术应用于车载空气净化器的设计阶段，利用 CFD 技术可实现计算结果可视化，通过对车载空气净化器的压力云图，湍动能云图以及流线云图的分析，顺利锁定主要原因，即电器盒的尖角形状严重干扰风机流场，并同时提出电器盒圆角设计的解决方案。通过最终的试验验证，发现电器盒圆角方案的声功率级更小，总值和峰值之差更大，证明圆角方案音质得到了改善，解决了车载空气净化器的气动噪声问题。