基于CLES模型的風(fēng)扇氣動(dòng)噪聲數(shù)值模擬分析方法

袁磊， 冉均均

(成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院， 核工程與新能源技術(shù)系， 四川， 樂(lè)山 614000)

0 引言

葉輪機(jī)械發(fā)出的噪聲主要是風(fēng)扇的氣動(dòng)噪聲[1-2]，因此需要對(duì)風(fēng)扇氣動(dòng)噪聲做數(shù)值模擬分析。此舉對(duì)低噪聲、高性能的風(fēng)機(jī)產(chǎn)品進(jìn)行改進(jìn)和開(kāi)發(fā)[3]。對(duì)于氣動(dòng)噪聲，20世紀(jì)初就有學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了研究，但當(dāng)時(shí)的研究很有局限性[4]，隨著研究的逐漸深入，氣動(dòng)理論也不斷發(fā)展，對(duì)于各種機(jī)械氣動(dòng)噪聲的研究都取得了一定成果。對(duì)于風(fēng)扇氣動(dòng)噪聲的研究，數(shù)值模擬分析是一種重要的研究方式，國(guó)外普遍應(yīng)用的一種風(fēng)扇氣動(dòng)噪聲數(shù)值模擬分析方法是基于粒子圖像測(cè)速的數(shù)值模擬分析方法，而國(guó)內(nèi)普遍應(yīng)用 Lighthill 聲類比模型下的風(fēng)扇氣動(dòng)噪聲數(shù)值模擬分析方法。借鑒目前實(shí)際應(yīng)用的這些研究成果，在對(duì)風(fēng)扇氣動(dòng)噪聲數(shù)值模擬分析進(jìn)行研究的過(guò)程中應(yīng)用了CLES模型，提出一種基于CLES模型的風(fēng)扇氣動(dòng)噪聲數(shù)值模擬分析方法，通過(guò)CLES模型精細(xì)劃分模擬網(wǎng)格，結(jié)合風(fēng)扇氣動(dòng)流場(chǎng)的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)模擬，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)扇氣動(dòng)噪聲數(shù)值模擬分析中的性能突破。

1 基于CLES模型的風(fēng)扇氣動(dòng)噪聲數(shù)值模擬分析方法設(shè)計(jì)

1.1 構(gòu)建計(jì)算域

在構(gòu)建風(fēng)扇氣動(dòng)噪聲數(shù)值模擬分析模型的計(jì)算域之前，首先對(duì)風(fēng)扇的幾何模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，以節(jié)省計(jì)算時(shí)間與資源，簡(jiǎn)化后的模型具體如圖1所示[5]。接著對(duì)計(jì)算域進(jìn)行構(gòu)建，共包括4個(gè)計(jì)算域分別為出口風(fēng)道、管道銜接區(qū)、旋轉(zhuǎn)流體區(qū)和進(jìn)口風(fēng)道。

(a) 散熱風(fēng)扇

(b) 冷凝風(fēng)扇圖1 簡(jiǎn)化后的模型

為了保障計(jì)算域出口與入口處保持零值相對(duì)大氣壓，必須將出口管道區(qū)與入口管道區(qū)設(shè)置為足夠長(zhǎng)的區(qū)域[6]。以風(fēng)扇試驗(yàn)中的標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，將入口管道仿真長(zhǎng)度直接設(shè)置為直徑的六倍，將出口管道仿真長(zhǎng)度直接設(shè)置為直徑的十倍，保持旋轉(zhuǎn)流體區(qū)接近于風(fēng)扇外徑[7]，將旋轉(zhuǎn)流體區(qū)和管道銜接區(qū)之間的縫隙設(shè)置為10 mm。

在冷凝風(fēng)扇、散熱風(fēng)扇的對(duì)應(yīng)計(jì)算域模型中，設(shè)置的具體尺寸如表1所示。

表1 設(shè)置的各區(qū)域尺寸

旋轉(zhuǎn)流體區(qū)與計(jì)算域的三視圖具體如圖2所示[8]。

(a) 旋轉(zhuǎn)流體區(qū)正視圖

(b) 旋轉(zhuǎn)流體區(qū)側(cè)視圖

(c) 旋轉(zhuǎn)流體區(qū)后視圖

(d) 計(jì)算域示意圖圖2 流體旋轉(zhuǎn)區(qū)與計(jì)算域的三視圖

1.2 處理?yè)Q熱器

冷凝器是復(fù)雜薄片式結(jié)構(gòu)，較小的換熱片尺寸會(huì)使模型變得非常復(fù)雜，帶來(lái)計(jì)算上的困難。因此，應(yīng)用CLES模型中包含的6個(gè)要素對(duì)換熱片進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，通過(guò)多孔介質(zhì)代替換熱片，對(duì)冷凝器擾動(dòng)和阻礙氣體流動(dòng)的情況進(jìn)行模擬[9]。多孔介質(zhì)的對(duì)應(yīng)二維模型表達(dá)式具體如下：

(1)

為獲取冷凝器的慣性阻力系數(shù)與粘性阻力系數(shù)，首先要獲取冷凝器中氣體速度與壓降間的關(guān)系。接著通過(guò)參數(shù)擬合方式對(duì)阻力系數(shù)進(jìn)行計(jì)算[10]。獲取冷凝器中氣體速度與壓降間的關(guān)系共有2種方式：利用數(shù)值模擬法對(duì)部分翅片模型進(jìn)行構(gòu)建，通過(guò)Fluent模擬獲取二者關(guān)系；進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量。由于存在實(shí)驗(yàn)條件方面的限制，選用第一種方法，構(gòu)建部分翅片模型，通過(guò)模擬計(jì)算獲取氣流經(jīng)過(guò)時(shí)二者的函數(shù)關(guān)系[11]。

構(gòu)建的部分翅片模型具體如圖3所示。

圖3 構(gòu)建的部分翅片模型

在圖3構(gòu)建的部分翅片模型中，圓管直徑、翅片間距、翅片厚度分別為5 mm、2 mm、0.2 mm。沿圓管軸向，翅片具備對(duì)稱性與周期性[12]。

獲取的氣流經(jīng)過(guò)時(shí)，壓力p的變化量具體如式(2)：

Δp=6.112u+3.158u2

(2)

則單位長(zhǎng)度壓降S可以通過(guò)式(3)來(lái)求取：

(3)

式中，L表示翅片寬度，取值為32 mm。

綜合式(2)和式(3)，可以得到下式：

(4)

在式(4)中代入空氣的動(dòng)力粘度與密度，通過(guò)計(jì)算獲取冷凝器的慣性阻力系數(shù)與粘性阻力系數(shù)，計(jì)算結(jié)果如式(5)：

(5)

1.3 數(shù)值模擬分析模型構(gòu)建

網(wǎng)格質(zhì)量對(duì)數(shù)值模擬分析結(jié)果有很大影響，因此需要對(duì)數(shù)值模擬分析模型中的網(wǎng)格實(shí)施精細(xì)劃分。通過(guò) ANSA 軟件修復(fù)、檢測(cè)、劃分風(fēng)扇的面網(wǎng)格，具體大小定為2 mm，使用三角形網(wǎng)格[13]。接著在STAR CCM+軟件中對(duì)體網(wǎng)格進(jìn)行繪制，其中邊界層網(wǎng)格定為棱柱層網(wǎng)格類型，剩余體網(wǎng)格定為Trimmer 網(wǎng)格類型。

為了對(duì)流場(chǎng)信息進(jìn)行更好的捕捉，實(shí)現(xiàn)計(jì)算精度的提升，設(shè)置3個(gè)計(jì)算域加密區(qū)。計(jì)算域劃分網(wǎng)格的具體數(shù)量為2 854 644個(gè)[14]。劃分網(wǎng)格后，在ICEM中導(dǎo)入風(fēng)扇三維模型，實(shí)施氣動(dòng)噪聲數(shù)值模擬分析模型的建模。

1.4 設(shè)置模型邊界條件

對(duì)數(shù)值模擬分析模型的邊界條件進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置的邊界條件具體如表2所示[15]。

表2 設(shè)置的邊界條件

1.5 氣動(dòng)噪聲數(shù)值模擬分析

利用風(fēng)扇氣動(dòng)噪聲數(shù)值模擬分析模型進(jìn)行氣動(dòng)噪聲數(shù)值模擬分析。在分析中，穩(wěn)態(tài)模擬計(jì)算設(shè)置的求解器參數(shù)具體如表3所示。

表3 穩(wěn)態(tài)模擬計(jì)算中設(shè)置的求解器參數(shù)

等流場(chǎng)穩(wěn)定以后，實(shí)施瞬態(tài)模擬計(jì)算，所設(shè)置的求解器參數(shù)具體如表4所示。

表4 瞬態(tài)模擬計(jì)算中設(shè)置的求解器參數(shù)

2 仿真實(shí)驗(yàn)分析

2.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

使用基于CLES模型的風(fēng)扇氣動(dòng)噪聲數(shù)值模擬分析方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)風(fēng)扇的氣動(dòng)噪聲數(shù)值模擬分析。選擇實(shí)車?yán)鋮s系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，該系統(tǒng)為雙風(fēng)扇系統(tǒng)，由冷凝器、散熱器、風(fēng)扇罩、冷凝風(fēng)扇、散熱風(fēng)扇構(gòu)成，這些構(gòu)成都會(huì)影響風(fēng)扇氣動(dòng)噪聲，為了獲得與實(shí)際情況更接近的數(shù)值模擬分析結(jié)果，對(duì)雙風(fēng)扇系統(tǒng)實(shí)施仿真模擬，具體如圖4所示。其中，冷凝器與散熱器的多孔介質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)具體如表5所示。

(a) 正面仿真圖

(b) 側(cè)面仿真圖圖4 雙風(fēng)扇系統(tǒng)仿真示意圖

表5 多孔介質(zhì)參數(shù)具體數(shù)據(jù)

冷凝器與散熱器的厚度分別是20 mm、36 mm，二者的試驗(yàn)風(fēng)阻值具體如表6所示。

表6 冷凝器與散熱器的試驗(yàn)風(fēng)阻值

2.2 搭建實(shí)驗(yàn)裝置

利用基于CLES模型的風(fēng)扇氣動(dòng)噪聲數(shù)值模擬分析方法對(duì)該雙風(fēng)扇系統(tǒng)實(shí)施數(shù)值模擬分析時(shí)，還需要對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行搭建。實(shí)驗(yàn)裝置包括雙風(fēng)扇系統(tǒng)、機(jī)座、測(cè)試風(fēng)筒、整流網(wǎng)、氣流調(diào)節(jié)閥等。利用搭建的實(shí)驗(yàn)臺(tái)對(duì)雙風(fēng)扇系統(tǒng)的工況進(jìn)行改變，以對(duì)基于CLES模型的風(fēng)扇氣動(dòng)噪聲數(shù)值模擬分析方法的性能進(jìn)行測(cè)試。

測(cè)試的基于CLES模型的風(fēng)扇氣動(dòng)噪聲數(shù)值模擬分析方法的性能包括渦流噪聲與旋轉(zhuǎn)噪聲的特征捕捉性能以及級(jí)間流場(chǎng)擾動(dòng)模擬度。

2.3 測(cè)試結(jié)果

2.3.1 特征捕捉性能測(cè)試結(jié)果

首先對(duì)基于CLES模型的風(fēng)扇氣動(dòng)噪聲數(shù)值模擬分析方法獲得的渦流噪聲與旋轉(zhuǎn)噪聲的特征捕捉性能進(jìn)行測(cè)試。渦流噪聲主要是由于氣流經(jīng)過(guò)風(fēng)扇葉尖進(jìn)行不規(guī)則流動(dòng)，產(chǎn)生的間隙渦流噪聲。旋轉(zhuǎn)噪聲主要是由不等距風(fēng)扇葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)氣體在不同角度葉片間流動(dòng)引起。通過(guò)分析2種不同工況下的風(fēng)扇噪聲，驗(yàn)證設(shè)計(jì)方法的有效性。利用基于CLES模型的風(fēng)扇氣動(dòng)噪聲數(shù)值模擬分析方法，在2種工況下對(duì)渦流噪聲與旋轉(zhuǎn)噪聲進(jìn)行特征捕捉，具體測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

(a) 渦流噪聲特征捕捉結(jié)果

(b) 旋轉(zhuǎn)噪聲特征捕捉結(jié)果圖5 渦流噪聲與旋轉(zhuǎn)噪聲特征捕捉測(cè)試結(jié)果

綜合圖5的渦流噪聲與旋轉(zhuǎn)噪聲特征捕捉測(cè)試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)基于CLES模型的風(fēng)扇氣動(dòng)噪聲數(shù)值模擬分析方法能夠在不同工況下對(duì)渦流噪聲特征進(jìn)行細(xì)致地捕捉，同時(shí)也可以在不同工況下對(duì)旋轉(zhuǎn)噪聲進(jìn)行細(xì)致的捕捉，說(shuō)明基于CLES模型的風(fēng)扇氣動(dòng)噪聲數(shù)值模擬分析方法具備良好的噪聲特征捕捉性能。

2.3.2 級(jí)間流場(chǎng)擾動(dòng)模擬度測(cè)試結(jié)果

利用基于CLES模型的風(fēng)扇氣動(dòng)噪聲數(shù)值模擬分析方法對(duì)實(shí)驗(yàn)雙風(fēng)扇系統(tǒng)的級(jí)間流場(chǎng)擾動(dòng)進(jìn)行模擬，并對(duì)模擬度進(jìn)行測(cè)試。在測(cè)試中，為使實(shí)驗(yàn)獲取更加豐富的數(shù)據(jù)，將當(dāng)前普遍應(yīng)用的2種風(fēng)扇氣動(dòng)噪聲數(shù)值模擬分析方法作為對(duì)比方法共同進(jìn)行級(jí)間流場(chǎng)擾動(dòng)模擬度的測(cè)試，并通過(guò)搭建的實(shí)驗(yàn)臺(tái)創(chuàng)造多種工況進(jìn)行測(cè)試。

這2種方法分別為基于粒子圖像測(cè)速和Lighthill 聲類比模型下的風(fēng)扇氣動(dòng)噪聲數(shù)值模擬分析方法。3種風(fēng)扇氣動(dòng)噪聲數(shù)值模擬分析方法的級(jí)間流場(chǎng)擾動(dòng)模擬度測(cè)試結(jié)果具體如表7所示。

表7 級(jí)間流場(chǎng)擾動(dòng)模擬度測(cè)試結(jié)果

表7的級(jí)間流場(chǎng)擾動(dòng)模擬度測(cè)試結(jié)果表明，基于CLES模型的風(fēng)扇氣動(dòng)噪聲數(shù)值模擬分析方法的級(jí)間流場(chǎng)擾動(dòng)模擬度最高可達(dá)6.85；基于粒子圖像測(cè)速的風(fēng)扇氣動(dòng)噪聲數(shù)值模擬分析方法的級(jí)間流場(chǎng)擾動(dòng)模擬度最高可達(dá)5.63；Lighthill 聲類比模型下的風(fēng)扇氣動(dòng)噪聲數(shù)值模擬分析方法的級(jí)間流場(chǎng)擾動(dòng)模擬度最高可達(dá)4.69。可見(jiàn)基于CLES模型的風(fēng)扇氣動(dòng)噪聲數(shù)值模擬分析方法的整體級(jí)間流場(chǎng)擾動(dòng)模擬度更高，能夠更好地進(jìn)行級(jí)間流場(chǎng)擾動(dòng)模擬。

3 總結(jié)

將CLES模型應(yīng)用于風(fēng)扇氣動(dòng)噪聲數(shù)值模擬分析可以實(shí)現(xiàn)良好的噪聲特征捕捉與更高的級(jí)間流場(chǎng)擾動(dòng)模擬度，這證明CLES模型在數(shù)值模擬分析的過(guò)程中起到了很大的作用。研究取得的成果對(duì)于風(fēng)扇氣動(dòng)噪聲改善的工程實(shí)踐與理論研究都存在一定的指導(dǎo)意義。但本文研究的方法對(duì)于定常和非定常條件考慮得較少，且對(duì)于風(fēng)扇轉(zhuǎn)速下內(nèi)流的變化未作分析，在未來(lái)的研究中，還需進(jìn)一步深入分析。