動(dòng)車組司機(jī)室空調(diào)蒸發(fā)器氣動(dòng)噪聲數(shù)值仿真

韓鐵禮 潘德闊 賈尚帥 張軍

摘要：為研究動(dòng)車組司機(jī)室空調(diào)蒸發(fā)器的噪聲響應(yīng)，建立某型司機(jī)室分體式空調(diào)蒸發(fā)器的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模型，采用FLUENT中的大渦模擬（large eddy simulation， LES）計(jì)算瞬態(tài)氣動(dòng)流場。對(duì)瞬態(tài)流場數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換，得到空氣流場的頻域數(shù)據(jù)。基于流場頻域數(shù)據(jù)，采用Virtual.Lab的邊界元法計(jì)算蒸發(fā)器的氣動(dòng)噪聲，采用聲壓法計(jì)算蒸發(fā)器的輻射聲功率，并與測試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明：蒸發(fā)器出口位置氣動(dòng)噪聲最高，最大聲壓級(jí)高于56 dB;最大聲功率級(jí)出現(xiàn)在125～?400 Hz的低頻段;聲功率級(jí)隨著頻率的增加逐漸降低，但在5 000 Hz的高頻輻射中聲功率級(jí)仍然超過55 dB，這表明空調(diào)蒸發(fā)器氣動(dòng)噪聲屬于寬頻噪聲;計(jì)算結(jié)果與測試結(jié)果吻合良好，驗(yàn)證聲壓法計(jì)算空調(diào)蒸發(fā)器氣動(dòng)聲功率可行。

關(guān)鍵詞：動(dòng)車組; 空調(diào)蒸發(fā)器; 氣動(dòng)噪聲; 聲功率級(jí); 邊界元

中圖分類號(hào)：U264.55; TP391.92?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

收稿日期：2019-04-27

修回日期：2019-06-23

基金項(xiàng)目：

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2016YFB1200503）

作者簡介：

韓鐵禮（1984—），男，河北唐山人，工程師，研究方向?yàn)檐囕v噪聲控制，（E-mail）hantieli.ts@crrcgc.cc

Numerical simulation on aerodynamic noise of

air conditioning evaporator of EMU cab

HAN Tieli1， PAN Dekuo1， JIA Shangshuai1， ZHANG Jun2

（1.Technology Research Center， CRRC Tangshan Co.， Ltd.， Tangshan 063035， Hebei， China;

2.College of Locomotive and Rolling Stock Engineering， Dalian Jiaotong University， Dalian 116028， Liaoning， China）

Abstract：

To study the noise response of air conditioning evaporator in EMU cab， the computational fluid dynamics model for evaporator of

a split air conditioning in the cab is established. The large eddy simulation（LES） of FLUENT is used to calculate the transient aerodynamic flow field. The frequency domain data of air flow field is obtained by Fourier transform of transient flow field data. Based on the frequency domain data of flow field， the aerodynamic noise of evaporator is calculated using boundary element method of Virtual.Lab， and the radiated sound power of evaporator is calculated by sound pressure method. The calculation result is compared with the test result. The results show that the aerodynamic noise at the outlet of evaporator is the highest， and the maximum sound pressure level is higher than 56 dB; the maximum sound power level appears in the low frequency band of 125～400 Hz. The sound power level decreases gradually with the increase of frequency， but the radiation sound power level of high frequency（5 000 Hz） still more than 55 dB. It indicates that the aerodynamic noise of air conditioning evaporator belongs to broadband noise. The calculated results agree well with the measured ones， and the calculation of aeroacoustic power of air conditioning evaporator by sound pressure method is verified.

Key words：

EMU; air conditioning evaporator; aerodynamic noise; sound power level; boundary element

0?引?言

動(dòng)車組司機(jī)室空間有限，一般采用分體式空調(diào)，即將蒸發(fā)器、離心風(fēng)機(jī)和其他電氣控制部件安裝在室內(nèi)機(jī)組中，把軸流風(fēng)扇、壓縮機(jī)和冷凝器等組件安裝在車體下部設(shè)備艙內(nèi)。[1]在動(dòng)車組運(yùn)行過程中，量級(jí)較高的氣動(dòng)和輪軌噪聲的聲源均在室外，但空調(diào)蒸發(fā)器安裝在司機(jī)室內(nèi)，其噪聲對(duì)司機(jī)仍有較大影響。[2]試驗(yàn)測試表明：動(dòng)車組司機(jī)室內(nèi)噪聲可高達(dá)75 dB（A），室內(nèi)空調(diào)蒸發(fā)器、管道和空氣出口是主要噪聲源;乘客車廂內(nèi)空調(diào)出風(fēng)口位置噪聲也明顯高于其他部位噪聲，可達(dá)68 dB（A）。[3]空調(diào)噪聲一部分來自壓縮機(jī)等運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)噪聲，另一部分為氣動(dòng)噪聲。[4-6]對(duì)于動(dòng)車組司機(jī)室的分體式空調(diào)來說，室內(nèi)噪聲主要為氣動(dòng)噪聲。空調(diào)氣動(dòng)噪聲的研究方法主要有2種：一是實(shí)驗(yàn)法[7];二是數(shù)值仿真與試驗(yàn)相結(jié)合，即將仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證[8-9]。數(shù)值仿真也有2種方法：一是用大渦模擬（large eddy simulation， LES）計(jì)算瞬態(tài)流場，用Lighthill聲類比法計(jì)算氣動(dòng)噪聲[10];二是用LES計(jì)算瞬態(tài)流場，用邊界元法計(jì)算氣動(dòng)噪聲[11-12]。

本文建立動(dòng)車組分體式空調(diào)室內(nèi)蒸發(fā)機(jī)組空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型，采用FLUENT計(jì)算離心風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)空氣流過蒸發(fā)器時(shí)的穩(wěn)態(tài)流場;以穩(wěn)態(tài)流場數(shù)據(jù)作為初始值，采用LES計(jì)算瞬態(tài)流場，并對(duì)瞬態(tài)流場數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換，得到頻域數(shù)據(jù);用Virtual.Lab的邊界元法模擬蒸發(fā)器的氣動(dòng)噪聲，并計(jì)算蒸發(fā)器輻射的聲功率，最后通過試驗(yàn)測試驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1?氣動(dòng)噪聲仿真計(jì)算基本理論

1.1?邊界元法氣動(dòng)噪聲計(jì)算理論

用邊界元法計(jì)算氣動(dòng)噪聲要先得到流場的時(shí)域數(shù)據(jù)，即流場瞬態(tài)數(shù)據(jù);再對(duì)流場瞬態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換，得到流場的頻域數(shù)據(jù);基于頻域數(shù)據(jù)用邊界元法計(jì)算氣動(dòng)噪聲。流場瞬態(tài)數(shù)據(jù)一般用LES進(jìn)行計(jì)算，LES方法是基于N-S方程求解瞬態(tài)流場的一種數(shù)值方法。[13]LES方法兼顧求解效率和求解精度，是氣動(dòng)噪聲分析中計(jì)算瞬態(tài)空氣流場的常用方法。

對(duì)LES瞬態(tài)計(jì)算得到的外流場結(jié)果進(jìn)行傅里葉變換，得到流場的頻域數(shù)據(jù)，再用邊界元法計(jì)算氣動(dòng)噪聲，是求解氣動(dòng)噪聲的有效方法。邊界元法利用格林函數(shù)將聲學(xué)微分方程轉(zhuǎn)換為在邊界上定義的邊界積分方程[11]，并將邊界積分方程離散為只含有邊界節(jié)點(diǎn)未知量的代數(shù)方程組。解此方程組得到邊界節(jié)點(diǎn)上的聲壓，可進(jìn)一步求得非邊界節(jié)點(diǎn)上的聲壓變量，離散后可得流場邊界節(jié)點(diǎn)上某一頻率下流體速度與聲壓的關(guān)系，即

Ap=Bvn（1）

式中：A和B為影響系數(shù)矩陣;

p為結(jié)構(gòu)表面節(jié)點(diǎn)聲壓向量;

vn為結(jié)構(gòu)表面流場法向速度向量。A和B為K×K階復(fù)系數(shù)矩陣，與結(jié)構(gòu)表面形狀、尺寸和插值型函數(shù)有關(guān)，并且是激勵(lì)頻率ω的函數(shù)。

結(jié)構(gòu)邊界上的流場速度一般為已知量，如果空調(diào)蒸發(fā)器中離心風(fēng)機(jī)葉輪旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致流體流動(dòng)的速度是已知的，那么按照式（1）可以求解結(jié)構(gòu)表面上的流體速度聲壓向量p。聲域內(nèi)任何一點(diǎn)聲壓計(jì)算式為

pY=aTp+bT

vn（2）

式中：a和b為插值系數(shù)，與封閉結(jié)構(gòu)幾何形狀和設(shè)計(jì)域點(diǎn)的位置有關(guān)。

1.2?聲壓法聲功率計(jì)算

在氣動(dòng)噪聲仿真計(jì)算中，各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的聲壓級(jí)較容易得到，而氣動(dòng)噪聲輻射的聲功率級(jí)難以直接計(jì)算。按照《聲學(xué)聲壓法測定噪聲源聲功率級(jí)和聲能量級(jí)反射面上方近似自由場的工程方法》（GB/T 3767—2016）的要求，基于監(jiān)測面上若干監(jiān)測點(diǎn)的聲壓級(jí)，可以得到聲源輻射的平均聲壓級(jí)。[14]監(jiān)測面為一個(gè)面積為

S、包絡(luò)聲源、各邊平行于基準(zhǔn)體、與基準(zhǔn)體的距離為d（即測量距離，d設(shè)定為1 m）的假想平行六面體表面[14]，見圖1。

由平均聲壓級(jí)可以計(jì)算噪聲源輻射的聲功率級(jí)。設(shè)Lp，ij?為聲源監(jiān)測面上第i個(gè)監(jiān)測點(diǎn)第j個(gè)頻率的聲壓級(jí)，則被測聲源在第j個(gè)頻率輻射的平均聲壓級(jí)為

式中：n為監(jiān)測點(diǎn)的個(gè)數(shù)。因此，平均聲功率級(jí)

L?w，j?=L?p，j?+10 lg（S/S0） （4）

式中：S0為監(jiān)測面參考面積。由各頻率的聲功率級(jí)，可以計(jì)算聲源通過監(jiān)測面輻射的總聲功率級(jí)為

Lw=10 lgmj=1100.1L?w，j （5）

式中：m為考慮的頻率個(gè)數(shù)。

2?蒸發(fā)器模型

2.1?幾何模型

蒸發(fā)器由風(fēng)機(jī)、散熱器、加熱器、風(fēng)道和空氣出入口等構(gòu)成，可以分成A、B和C等3段，見圖2。A段安裝2個(gè)離心風(fēng)機(jī)用于空氣混合，B段布置蒸發(fā)器散熱片和加熱器，C段為風(fēng)道。蒸發(fā)器兩端布置空氣入口和出口，共設(shè)置3個(gè)空氣入口、4個(gè)空氣出口。入口1和2直接從外部吸入冷空氣，入口3從室內(nèi)吸入溫度相對(duì)較高的空氣，以調(diào)節(jié)室內(nèi)空氣。

2.2?計(jì)算流體力學(xué)模型

采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的混合網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分。蒸發(fā)器離心風(fēng)機(jī)葉扇較小且為曲面，所以采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格;散熱片由密集薄板與散熱管交錯(cuò)布置組成，因此在散熱片區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。這樣不僅可以減少網(wǎng)格數(shù)量，而且可以在保證計(jì)算精度的同時(shí)縮短計(jì)算時(shí)間。蒸發(fā)器計(jì)算流體力學(xué)網(wǎng)格見圖3。機(jī)體表面網(wǎng)格尺寸較大，最大為20.0 mm;風(fēng)機(jī)葉扇表面尺寸較小，最小為1.5 mm;共劃分5 649 455個(gè)流體單元。邊界條件設(shè)置為：機(jī)體表面為固定壁面，入口和出口分別設(shè)置1 atm的壓力入口和出口;設(shè)置風(fēng)機(jī)葉扇區(qū)域網(wǎng)格以230 r/min速度旋轉(zhuǎn)，模擬離心風(fēng)機(jī)葉扇旋轉(zhuǎn)。

2.3?邊界元模型

在流場邊界和結(jié)構(gòu)邊界建立邊界元模型，用數(shù)值法計(jì)算氣動(dòng)和結(jié)構(gòu)噪聲。分體式空調(diào)蒸發(fā)器邊界元網(wǎng)格模型見圖4。

渦輪風(fēng)機(jī)葉扇表面、渦殼及其結(jié)構(gòu)均采用邊界元網(wǎng)格，蒸發(fā)器離心風(fēng)機(jī)葉扇仍采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。散熱片由散熱管貫穿多片薄板組成，因此在散熱片區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。模型采用三角形和四邊形網(wǎng)格構(gòu)成，共劃分93 512個(gè)邊界元網(wǎng)格。

3?穩(wěn)態(tài)流場計(jì)算結(jié)果和瞬態(tài)流場初始條件

計(jì)算氣動(dòng)噪聲需要用LES計(jì)算瞬態(tài)流場，計(jì)算瞬態(tài)流場需要用穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果作為初始值，而且穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果可用于初步分析模型的正確性。

在FLUENT中采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型計(jì)算冷凝單元穩(wěn)態(tài)流場，獲得流場的定常解，并以此作為瞬態(tài)流場計(jì)算初始條件。離心風(fēng)機(jī)渦殼和葉扇的靜壓力云圖見圖5。由此可知：渦殼口區(qū)域壓力較大，葉扇迎風(fēng)側(cè)壓力較大，葉扇靠近軸心側(cè)壓力較小。

用穩(wěn)態(tài)流場的定常解作為瞬態(tài)計(jì)算的初始條件，能準(zhǔn)確計(jì)算氣動(dòng)噪聲，因此將分體式空調(diào)蒸發(fā)器定常穩(wěn)態(tài)解作為LES瞬態(tài)計(jì)算的初始條件。

4?蒸發(fā)器氣動(dòng)噪聲結(jié)果分析

4.1?噪聲測點(diǎn)布置

為確定測量表面，根據(jù)空調(diào)機(jī)組的幾何尺寸和主要發(fā)聲器件分布，設(shè)定基準(zhǔn)體（見圖1）。基準(zhǔn)體為包絡(luò)聲源并終止于反射面的最小六面體，在確定基準(zhǔn)體大小時(shí)，聲源的凸出部分只要不是聲能的主要輻射體，可以不予考慮。為確保計(jì)算準(zhǔn)確，

可選擇足夠大的基準(zhǔn)體，將危險(xiǎn)工作點(diǎn)都包括進(jìn)去。[12]基準(zhǔn)體的長、寬、高分別設(shè)置為L1=1.9 m、

L2=1.1 m和L3=1.6 m。響應(yīng)面設(shè)為六面體，共布置21個(gè)監(jiān)測點(diǎn)。

4.2?氣動(dòng)噪聲云圖

將圖1中各個(gè)測點(diǎn)所在的六面體作為噪聲響應(yīng)面，當(dāng)頻率f為100和1 250 Hz時(shí)，該響應(yīng)面上的聲壓級(jí)見圖6。由此可知，f=100 Hz時(shí)蒸發(fā)器空氣出口和入口氣動(dòng)噪聲都較大，f=1 250 Hz時(shí)出口位置氣動(dòng)噪聲較大。

4.3?聲壓級(jí)、平均聲壓級(jí)和輻射聲功率級(jí)計(jì)算

計(jì)算得到部分監(jiān)測點(diǎn)在不同頻率下的聲壓級(jí)見表1。蒸發(fā)器上部的出口位置和入口位置噪聲較大，最大值出現(xiàn)在監(jiān)測點(diǎn)15，該點(diǎn)在f=125 Hz時(shí)噪聲最大，其值為56 dB。根據(jù)表1，按式（3）計(jì)算蒸發(fā)器平均聲壓級(jí)，結(jié)果見表2。由此可知：最大平均聲壓級(jí)出現(xiàn)在f=160 Hz時(shí);總體來看，聲壓級(jí)隨頻率增大先增加后又逐漸減小趨勢。根據(jù)各頻率的平均聲壓級(jí)，按式（4）計(jì)算各頻率的聲功率級(jí)，見表3。各頻率的聲功率級(jí)分布特點(diǎn)與聲壓級(jí)類似，在f=160 Hz出現(xiàn)最大值。按式（5）計(jì)算得到蒸發(fā)器輻射的總聲功率級(jí)為75.71 dB。

4.4?試驗(yàn)測試及對(duì)比分析

為驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的正確性，對(duì)分體式空調(diào)蒸發(fā)器的氣動(dòng)噪聲進(jìn)行試驗(yàn)測試。試驗(yàn)在聲學(xué)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，蒸發(fā)器氣動(dòng)噪聲測試設(shè)備見圖7。通過測量測試面上的聲壓，利用式（3）～（5）計(jì)算得到總聲功率級(jí)，因此試驗(yàn)設(shè)置21個(gè)聲壓測試點(diǎn)，測試點(diǎn)位置與仿真計(jì)算位置相同（見圖1）。

試驗(yàn)測試與仿真計(jì)算的聲功率級(jí)對(duì)比見圖8。

由此可知：仿真計(jì)算的聲功率級(jí)與試驗(yàn)測試的聲功率級(jí)總體趨勢相同，在125～400 Hz的低頻段聲能量較大，隨著頻率增加聲功率逐漸降低;試驗(yàn)的聲功率級(jí)曲線較平緩，仿真的聲功率曲線出現(xiàn)較多的峰值和谷值。在2 000 Hz的高頻段，仿真計(jì)算值與試驗(yàn)測試值之間誤差較大。試驗(yàn)測試得到的蒸發(fā)器輻射的總聲功率級(jí)為74.25 dB，仿真計(jì)算結(jié)果為75.71dB，只相差1.46 dB。

5?結(jié)?論

（1）該動(dòng)車組分體式空調(diào)蒸發(fā)器在氣流出口和入口位置噪聲相對(duì)較大，在氣流出口位置氣動(dòng)噪聲高于56 dB。

（2）仿真計(jì)算與試驗(yàn)測試的聲功率級(jí)曲線基本吻合，最大聲功率級(jí)出現(xiàn)在125～400 Hz的低頻段，聲功率級(jí)隨著頻率的增加逐漸降低。

（3）聲壓級(jí)和聲功率級(jí)曲線表明，蒸發(fā)器的氣動(dòng)噪聲沒有明顯的主頻，雖然在100～5 000 Hz頻段內(nèi)聲壓和聲功率級(jí)總體隨著頻率增加而逐漸降低，但衰減較慢，在5 000 Hz的高頻段輻射聲功率級(jí)仍然超過55 dB。

（4）仿真計(jì)算和試驗(yàn)測試的總聲功率級(jí)誤差僅為1.46 dB，相對(duì)誤差小于2%，驗(yàn)證聲壓法計(jì)算空調(diào)氣動(dòng)噪聲聲功率的可行性。

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