基于CFD仿真的車載空氣凈化器氣動噪聲的優化與設計

王領，王佛云，付山，李彬，李燕華

（空調設備及系統運行節能國家重點實驗室，珠海 519070）

引言

隨著汽車行業的飛速發展，消費者購車需求愈發旺盛。汽車作為日常使用頻率較高的代步工具，順其而然成為了消費者除家庭、辦公室以外的“第三密閉空間”，因此車內空氣質量越來越受到消費者們的重視。車載空氣凈化器因其具有高效的凈化污染物，改善車內空氣質量的功能，而迅速成為人們熱衷的第一選擇[1]。目前，市場銷售的車載空氣凈化器種類繁多，品質參差不齊，由于消費者們過度關注其空氣凈化能力，而缺少對其噪聲等舒適性因素的研究[2]，因此在車載空氣凈化器的噪音領域還有很大的研發空間。

本文為探究并解決車載空氣凈化器的噪聲問題，將CFD仿真技術應用于產品開發初期，利用數字化結果作為設計導向，對其結構和循環系統進行優化，大大縮短了設計研發周期，也降低了開發成本；同時為車載空氣凈化器的噪聲優化提供了有力的理論支持[3]。

1 基本理論

1.1 車載空氣凈化器的基本結構及工作原理

目前，市場上銷售的車載空氣凈化器樣式繁多，但大部分的結構大同小異。主要組成部件有：殼體、風機、空氣過濾網等；如圖1所示，本文設計了一款采用離心式風機的濾網式車載空氣凈化器，采用頂部進風，四周出風的方式，大大提高了空氣過濾網的利用效率，使得該款產品的空氣凈化能力也大幅提高；該產品的主體結構主要由懸浮板、上頂蓋，濾網，風機，底殼和控制器組成。

圖1 車載空氣凈化器結構圖

車載空氣凈化器的工作原理是電動機產生的機械能通過葉輪轉換為使空氣流動的動能，車內流動的空氣通過空氣過濾網，進而使空氣中摻雜的各種污染物被清除或吸附，最終達到凈化空氣的目的。

1.2 離心風機氣動噪聲產生機理

車載空氣凈化器運行過程中主要的運轉部件是風機系統，對于離心式風機而言，其運轉過程中產生的噪聲主要包括空氣動力噪聲、機械噪聲及氣體和固體彈性系統相互作用產生的氣固耦合噪聲[4]。

由于車載空氣凈化器自身的結構特點，運行過程中很少涉及機械噪聲，主要是空氣動力噪聲；旋渦噪聲是空氣動力噪聲的一種，又被稱為紊流噪聲或渦流噪聲，它是葉輪在旋轉過程中，葉輪葉片與氣體相互作用、耦合所輻射的寬頻帶噪聲；具體是由于靠近葉片出口處的邊界層脫體、氣流在蝸殼中擴壓流動時的脫體、葉片進口處流動分離和偏離最佳工況時流動的惡化等造成的[5]。

根據以上機理，以及結合車載空氣凈化器的結構特點，本文分析出車載空氣凈化器的噪聲可能與風葉旋轉的流場相關。

2.3 CFD仿真基本理論

CFD仿真常用的數值方法有有限差分法、有限體積法、有限元法及有限分析法，其中，有限體積法能在特定體積內很好的導出具有守恒特性的連續性方程，其離散方程系數的物理意義明確，是目前CFD數值計算中應用最為廣泛的一種。CFD仿真的操作流程細節因不同的軟件而存在差異，但主要流程相同；如圖2所示，是基于ANSYS Workbench 平臺下的Fluent進行CFD仿真的基本流程[6,7]。

圖2 CFD仿真流程圖

2 CFD仿真及實驗驗證

2.1 幾何模型簡化

車載空氣凈化器仿真計算模型建立包括實體幾何模型的建立、仿真計算域的建立及網格模型的建立三部分內容，其中每一環節都能影響到后續的仿真結果。本文所用到的車載空氣凈化器整體模型的長寬高分別為180 mm、158 mm、60 mm。

產品運行時主要的運動部件是電機和離心風葉，而其產生的異常噪音主要是電機聲、風機本身的旋轉噪聲以及風葉和外殼等構成的風道中產生的低頻噪聲。因此，在對其進行流體仿真時，需要將模型中可能因流體流動產生噪聲的構件保留，去除濾網、控制器等次要構件；同時，為了減少網格的數量，提升網格質量，需要簡化風機和底座的外觀細節特征。為了保證仿真精度，凸顯車載空氣凈化器仿真前后的結果對比，在簡化模型的過程中，保留了風葉和底座的主要特征，如圖3所示。

圖3 模型處理圖

2.2 模型網格劃分及計算域的建立

車載空氣凈化器內部計算域的網格如圖4所示，網格采用非結構化四面體網格，對風輪小面處進行了不同尺寸網格的劃分，以提高數據傳遞的效率。網格總數為306.6萬，質量在0.22以上，質量良好，可滿足計算要求。為計算整機流體的傳質過程，需對整機及運行時的進風和出風流域進行設置，空氣與整機流道的傳質過程可采用流固耦合模型進行計算，如圖4所示。

圖4 網格劃分與整機計算域設置

2.3 流體控制方程

本研究中，空氣被假設成不可壓縮黏性流體，無熱量傳遞，僅需考慮質量與動量守恒，即僅需求解連續方程與 Navier-Stokes 方程：

式中：

ρ—空氣的密度，kg/m3；

i、j—運動維度；

u—速度，m/s；

p—壓強，Pa；

μ—空氣的黏度，Pa·s；

S—動量源項，N/m3。

此外，選用工程中常用的 RNG k-ε湍流模型對控制方程進行封閉求解。

2.4 相關邊界條件設置

車載空氣凈化器循化系統為：內部風輪高速旋轉，產生壓強差，快速吸入懸浮蓋的外部空氣，在風輪的帶動下，空氣進一步被帶動甩出，最后由整機底部格柵中流出。在Fluent中定義邊界條件，假設風道內部氣體為穩態不可壓縮流體，設定氣固界面無滑動邊界，由于循環風流出的流動速率未知，因此采用壓力入口為邊界條件，風機旋轉速度為4 000 rpm。

2.5 仿真結果分析及噪聲整改方案

圖5～7分別為整機運行時的流場圖，主要從流線、湍動能以及壓力三個維度進行展示仿真結果，圖中左側均為優化前仿真結果，右側為優化方案后仿真結果。從圖5中的流線圖可以看出，在控制器盒邊角處的流線明顯密集，表明此處的流場分布不均勻，容易造成壓力梯度變化大。圖6的湍動能分析結果可以得出，風輪區域有明顯的湍動能驟變區域，容易造成流場脈動。從圖7中的壓力云圖可以分析出，左側電器盒邊緣處有明顯的壓力脈動，且壓力分布不均勻。

圖6 整機優化前后湍動能圖

圖7 整機優化前后壓力云圖

根據以上三個維度的分析結果，可以得出，當電器盒邊角為尖角時（即圖5～7中左側），仿真的結果均表明風輪的流場有明顯的分布不均勻，有些區域湍動能，壓力偏高，此結果也進一步表明風輪流場分布不順暢，很容易造成流場紊亂。基于氣動噪聲產生的機理，流場壓力脈動突然變化較大，很容易造成風葉尾翼的邊界層脫落，進而進一步擾亂流場，最終產生氣動噪聲。

為解決上述噪聲問題，本文深入研究，結合仿真計算結果，提出如下方案。由于車載空氣凈化器的尺寸限制，風輪和電器盒的位置無法改變，因此只能改變風輪和電器盒的相對形態。根據上述仿真和分析結果，針對電器盒尖角位置進行改模處理，由原來的尖角改成目前的圓角，根據流線和流場，不斷優化圓角角度。整改完成后，針對圓角方案進行整機仿真，結果如圖5～7右側所示，與優化前進行對比，發現圓角方案的流線、湍動能以及壓力分布均有所減緩，明顯優于尖角方案。

圖5 整機優化前后仿真流線圖

3 實驗測試驗證

通過仿真分析后，提出了一種最終的優化方案，即對電器盒的尖角位置進行優化處理；本研究針對優化方案進行了手板打樣驗證，并分別對兩種方案的整機進行噪音測試，對比前后噪音總值，峰值，聲功率級，具體結果如表1所示。通過表中數據，可以分析得出，原方案整機聲功率級為53.6 dB，較優化后的方案大1.5 dB；原方案總值和峰值相差8.7 dB，優化后的方案總值和峰值相差15.8 dB。總值和峰值相差越多，表明峰值在總值中所占的比例越小，進一步表明整機噪音峰值不突出，整體音質體驗較好。優化后的方案整體噪音水平優于競品。

表1 車載空氣凈化器實驗方案驗證表 單位：dB（A）

4 總結

針對車載空氣凈化器的全新流道系統和特殊結構，并通過氣動噪聲理論，解釋了其工作原理和氣動噪聲產生的機理。本研究將CFD仿真技術應用于車載空氣凈化器的設計階段，利用 CFD 技術可實現計算結果可視化，通過對車載空氣凈化器的壓力云圖，湍動能云圖以及流線云圖的分析，順利鎖定主要原因，即電器盒的尖角形狀嚴重干擾風機流場，并同時提出電器盒圓角設計的解決方案。通過最終的試驗驗證，發現電器盒圓角方案的聲功率級更小，總值和峰值之差更大，證明圓角方案音質得到了改善，解決了車載空氣凈化器的氣動噪聲問題。