基于流声耦合的轴流风机气动噪声数值模拟研究

张桂艳

（贵州装备制造职业学院，贵州贵阳 551400）

1 轴流风机当前存在的噪声问题

轴流风机的噪声包括气动噪声、机械噪声和电磁噪声等，随着时代发展和技术的迭代更新，气动噪声成为当前轴流风机的主要噪声。到现今为止，对小型轴流风机流场和声场的理论计算还没有一个成熟的方法，随着近年来计算机技术的快速发展和算法的改善，通过数值模拟来仿真轴流风机的流场和声场这一方法已逐渐变为现实。文章主要采取数值模拟的方法来对小型轴流风机进行分析。

2 轴流风机尺寸及模型建立

2.1 轴流风机尺寸

轴流风机仿真计算模型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，其中每一环节都将影响到后续的仿真。所用到的轴流风机主要由动叶片、外框和静叶片组成，其中外框和静叶片连成一体。风机长宽高分别为80 mm、38 mm、80 mm。动叶片数量为5叶，动叶直径为74 mm，轮毂直径为43 mm，轮毂厚度为22 mm；静叶片数量为3 叶，扇框内径86 mm，扇框还包括在入风口处具有集流作用的倒角以及在出风口处具有扩压作用的倒角。风机使用电压范围在7～13.8 V 以内，转速8 400 r/min，产生风量132 m3/h。

2.2 轴流风机几何模型建立

轴流风机的动叶片是风机中最重要的部分，它的几何参数包括叶片直径、叶片安装角、叶片弯掠角等的大小，均影响风机的流量及噪声的大小，所以，为保证建模精度，轴流风机实体几何模型的建立采用逆向工程的方法。

逆向建模工程可具体概括为三步：扫描仪采集数据、模型特征数据的识别和提取、利用建模软件重建模型。扫描之前需要在风机上均匀地喷涂白色的显像剂，同时需要在风机下方放入黑色的垫子增加对比度。此外，为了使风机各个表面均扫描到，需要把风机拆开，将动叶片和扇框分开进行扫描。

扫描完成后可得到轴流风机曲面参数的点云数据，由于实体模型表面粗糙度不同，扫描时随机误差等原因的存在，点云数据不可能完全与原模型相同，所以为了使后续CAD 模型重建可以方便、准确的进行，需要对数据进行预处理。

经过预处理的点云数据已经与实体模型的特征近乎一致，可以利用这些数据和边界曲线通过算法来构建曲面，从而拟合出风机表面的曲面形状。通过这种方式得到的风机三维模型具有较高的修改能力，将曲面导入到建模软件NX 中，通过拉伸、旋转、边界混合等一系列操作建立出轴流风机的原始几何模型。

3 轴流风机仿真计算域建立

仿真时所用到的模型是轴流风机内部及周围的空气域，并不是风机几何模型，所以要建立仿真流体计算域。轴流风机在工作时，动叶片会绕轴旋转，在仿真计算域建模时要考虑到旋转计算域的建立。

对轴流风机进行仿真时，需要给定确切的入口和出口边界条件，此外为了减少回流，需要在风机的入口和出口段延伸出一部分，以便于模拟出轴流风机在实验时外部气体的流动情况。风机入口处的流动还未经过风机做功，所以为平直的层流，而相反的出口处的流动较为混乱，所以通常来说，入口长度为风机长度的2～4倍，出口长度为风机长度的8～10倍。

3.1 轴流风机网格模型建立

在计算流体力学中需要用到离散化的数值方法。离散即将一个连续的物体划分成一定数量的单元，这个单元即为网格。网格划分时工作量大，同时涉及到的问题很多，网格的数量和质量会直接影响到之后计算的效率和精度，所以网格划分是数值计算过程中最重要的环节之一。

结构化网格和非结构化网格是网格划分的两种方法。简单来说，对于二维模型结构化网格只包含四边形，而非结构化网格包含三角形；对于三维模型结构化网格只包含六面体，而非结构化网格包含四面体，结合轴流风机的模型特点，对轴流风机的旋转计算域和扇框内的静计算域采用非结构化网格，而对形状规则的入口计算域和出口计算域采用结构化网格。

结构化网格在拓扑结构上每一层的网格上都是均匀的且各层节点相等，这样得到的网格数量少、精度较高，且结构化网格对处理粘性问题效果较好，但是对于模型的适应性较差。外形复杂的模型生成结构化网格是比较困难的，非结构化网格的拓扑结构不是均匀的，对复杂模型的处理较为灵活，但是划分相同模型，非结构化网格的数量要远大于结构化分网。目前来看，随着计算方法的改进，非结构化网格和结构化网格在计算过程中的结果相差越来越小。

3.2 数值模拟方法

3.2.1 求解器选择

在Fluent 软件中求解器分为两类，密度基求解器和压力基求解器。密度基求解器通常适用于高速可压缩流体或者强耦合流动；而不可压缩的低速流体的计算通常使用专门针对这一问题的压力基求解器来求解。区分流体的压缩程度可以通过计算马赫数（M）大小来表示，其关系式为：

式（1）中，v表示流体的速度；c表示声音在空气中的传播速度，为340 m/s。当马赫数小于0.3时，可认为流体是低速不可压缩的；当马赫数超过0.3时，流体的可压缩性便不可忽略；当马赫数超过0.8时，流体为亚音速可压缩。

3.2.2 求解方法的选择

常用的算法有SIMPLE 算法，SIMPLEC 算法和PISO 算法。SIMPLE 算法是预测-修正两步算法；SIMPLEC 算法是对SIMPLE 算法的改进，改变一些压力修正项系数，可以加快计算的收敛，但收敛精度较低；PISO 算法是预测-修正-再修正，更加适用于瞬态的求解。稳态选择SIMPLE 算法，而瞬态选择PISO 算法。

3.2.3 湍流模型的选择

轴流风机的仿真分为两步仿真，稳态流场仿真和瞬态声场仿真，两次仿真均需选择合适的湍流模型。稳态仿真的湍流模型选择雷诺平均模型中的RNGk-ε模型；为了配合声场模拟的FW-H 方程，瞬态仿真的湍流模型则选择大涡模拟方法。

3.2.4 声源及气动噪声模型的选择

在声源选择时，Fluent 不支持选择两个包含关系的声源面，如扇框和动叶片不可同时选择，所以只选择动叶片作为数值仿真的声源。气动噪声模型选择莱特希尔声比拟方法，即开启FW-H 方程来仿真。

3.2.5 动静域计算模型选择

Fluent 中用于处理动静域模型的方法主要可分为单参考系模型、多参考系模型、滑移网格模型和动网格模型等，其中前两种适用于稳态求解，后两种适用于瞬态求解。单参考系模型用于单一的运动区域，参考系与运动区域相对静止。本文的轴流风机既包括旋转域又包括静止域，所以不能采用单参考系模型。多参考系模型是多域模型中最简便的方法之一，这种方法在旋转域中采用相对坐标系，在静止域中采用绝对坐标系，两个域直接通过交界面（interface）来传递。此模型简单经济，对流动的处理也较为可信。瞬态计算中滑移网格模型是在多参考系模型的基础上发展而来，原理与前者类似，所以瞬态的计算采用滑移网格模型。

3.2.6 边界条件的选择

风机动叶片壁面条件设置为转动壁面条件，并给定仿真需要的转速。动静域的交界面根据上文所述的计算模型选择为interface。入口边界条件设定为压力入口，总压设置为0Pa，意为与外界大气压相同，入口湍流强度可根据公式计算：

式（2）中，Re 为流体的雷诺数，出口边界条件设定为压力出口，静压根据仿真需要设置。

3.2.7 时间步长的选择

在瞬态计算时，需要对时间步长进行设定。在每个时间步长内都要保证计算收敛，减小时间步长，计算仿真精度会提高，但是计算时间也会延长；增大时间步长，可能会出现库朗数过大的情况而无法计算。在气动噪声计算时，时间步长t的选取与声音的频率相关，关系式如下：

式（3）中，f表示频率，因为人耳可以听到的声音频率范围在20～20 000 Hz 之间，所以将频率设置为20 000 Hz，这样Δt即为2.5×10-5s，此外还要保证每个时间步内都收敛。

4 声场数值仿真结果分析及实验验证

仿真时以轴流风机动叶轮中心为坐标原点，风机绕Z 轴旋转，此外在风机四周X 轴、Y 轴方向分别设置6个噪声监测点，其中Z 轴正向的receiver5作为主要噪声监测点，其他5个监测点的数据作为参考，各监测点与原点的距离都为1 m。

噪声监测点的声压级大小，可根据公式：

噪声的声压级值越大，声音的强度越高，但是人耳对声音的反应不仅与强度大小有关，还与声音的频率相关。声压级相同而声音频率不同的噪声人耳的反应是不一样的，通常来说人们对低频噪声不是特别敏感，而对高频噪声较为厌烦。所以除了噪声的声压级，还要对噪声的频谱进行关注，将仿真值经过FFT 变换后，可得到监测点噪声在各个频率上的声压级大小。

轴流风机的噪声测试实验依据国标声学声压法测定噪声源声功率级消音室和半消声室精密法（GB/T6882-2008）和风机和罗茨风机噪声测量方法（GB/T2888-2008）所规定的实验场地和实验方法进行。实验时用麦克风对噪声进行收声，麦克风的设置与上文receiver5噪声监测点的位置相同，即在Z 轴正向距动叶片中心1 m 处。如图1所示。

图1 轴流风机噪声测试结论

5 实施方案及措施

影响轴流风机气动噪声的因素很多，在利用仿真软件求解时一般采用以下流程。

（1）物理问题抽象。这一步主要解决的问题是决定计算的目的.在对物理现象进行充分认识后，确定要计算的物理量，同时决定计算过程中需要关注的细节问题。

（2）计算域确定：在决定计算内容之后，紧接着要做的工作是确定计算空间，这部分工作主要体现在几何建模上。

（3）划分计算网格。当确定计算域之后，则需要对计算域几何模型进行网格划分。生成网格的程序有很多，网格质量直接影响计算精度，因此在生成网格之后，需要检查网格的质量，另一个与网格相关的问题是边界层网格划分。在划分边界层网格时，需要根据外部流动条件估算第一层网格与壁面间距，同时需要确定边界厚度或边界层层数。

（4）选择物理模型。在第一步工作中确定了需要模拟的物理现象，在此需要选择对应的物理模型.若考虑传热，需要选择能量模型；若考虑湍流，则需要选择湍流模型；若考虑多项流，则需要选择多相流模型等。

（5）确定边界条件。确定计算域实际上是确定了边界位置，在这一步工作中，需要确定边界位置上物理量的分布，通常需要考虑边界类型、物理量的指定。不同的边界类型组合对于收敛性有着重要的影响，无论采用何种边界组合，都要求边界信息是物理真实的，一般要求试验获取。

（6）设置求解参数。在上面的工作均进行完之后，则需要设定求解参数，包括一些监控物理量设定、收敛标准设定、求解精度控制等，若为瞬态计算，则可能还涉及自动保存、动画设定等，不同的物理问题，需要设定的求解参数也存在差异。

6 结束语

采用计算流体力学和气动声学中的声类比的方法对轴流风机的流场和声场性能进行计算分析，确定了风机的建模方法，ICEM 网格划分方法及Fluent 求解设置方法，并通过实验进行了验证。对风机流场中的压力、速度等分布情况和风机声场中频谱分布等问题进行了深入研究。