大涡模拟在轴流风扇气动噪声仿真中的应用.pdf

第 1 期 2 0 1 3年 1月 机 械设 计 与 制造 Ma c h i n e r y De s i g nMa n u f a c t u r e 6 3 大涡模拟在轴流风扇气动噪声仿真中的应用 伍文华， 杜平安， 陈燕， 李茂福 电子科技大学 机械电子工程学院， 四川 成都6 1 0 0 0 0 摘要 随着高集成、 大功率电子设备的应用越来越广泛， 随之而来的气动噪声问题越来越受到人们的重视。 对其主要气 动噪声来源一风扇的研究也越来越深入。伴随着仿真计算方法以及计算机技术的发展，数值仿真已经成为气动噪声仿 真、 预测、 降噪的新手段。 在总结了前人在气动噪声仿真中的相关手段方法后、 采用流体力学计算软件 F 1 u e n t 和 L E S大涡 模型对轴流风扇气动噪声进行了数值模拟，分析 了轴流风扇气动噪声产生机理，验证了仿真方法的正确性，结果表明 L E S湍流模型能够准确预测气动噪声， 满足工程应用要求。 关键词 大涡模拟； 轴流风扇； 气动噪声； 数值仿真 中图分类号 T H1 6 ； T U 8 3 4 ． 4 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 3 0 1 0 0 6 3 0 3 Th e Ap p l i c a t i o n o f L e s i n Ae r o d y n a mi c No i s e Si mu l a t i o n f o r Ax i a l F a n W U W e n -h ua， Du P i n g - a n， Ch e n Ya n， Li Ma o - f u C o l l e g e o f Me c h a t r o n i c s E n g i n e e r i n g ， U n i v e r s i t y o f E l e c t r o n i c S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y o f C h i n a ， S h i e h u a n C h e n g d u 6 1 0 0 0 0 ， C h i n a A b s t r a c t 她 t h e w i d e l y u s e o fh i g h i n t e g r a t i o n ． h i g h p o w e r e l e c t r o n i c e q u ip m e n t s ． t h e a e r o d y n a m i c n o i s e p r o b l e m g e t s m o r e a n d m o r e att e n t ion ofp e o p l e ， a n d t h e s o u r c e s of m a i n aer o d y n a m i c n o i s e ， t h e f a n ， get s mo r e i n_ l 拈 p t h r e s e a r c h ． Wi t h t h e d e v e l o p m e n t ofs i m u l ati o n c a l c u l ati o n met h o d娜w e l l a s c o m p u t e r t e c h n o l o g y ． n u m e r ic a l s i mu l ati o n h a s b e c o me t h e n e w w a y s of aer o d y n a mi c n o is e s i mu l ati o n ， p r e d i c t i o n a n d n o is e r e d u c t i o n ． A fte r t h e c o n c l u s io n of t h e r e l at e d me t h o d s of a e r o d y n am i c n o is e s i mu l at ion ， a x i alflo wf a n aer o d y n a mi c n o i s e n u m e r ic al s i mu l io n is c a r r i e d o u t u s i n g t h e c o m p u t at ion alflu i d d y n am ic s s o ,w are F l u e n t a n d L E S l a r g e e d d y mo d e l ， anal y z i n gt h e a x i a l fl o w f an aer o d y n am ic nois e gen e r at i o n mec h anis m， v e r ifin gt h e c o r r e c t nes s of t h e me t h o d ， and t h e r e s u h s s h o w t h at L E S t u r b u l e n c e m o d e Z is a n a c c u r ate p r e d i c t i o n m o d e f r a e r o d y n ami c nois e ， w h i c h m e e t s t h e r e q u i r e men t s ofE n g i n e e r i n ga p p l ic at i o r Ke y W o r d s LES； Ax i a l Fa n； Ae r o d y n a mi c No i s e ； S i mu l a t i o n 1 引言 轴流风扇的空气动力性噪声主要是由于气体的非稳定流 动， 气体与气体及气体与固体间相互作用产生的噪声。从噪声产 生的机理来看， 它主要由旋转噪声和紊流噪声组成【l _。 旋转噪声是 由于叶轮上均匀分布的叶片打击周围的气体介质， 引起周围气体 压力脉动而产生的噪声口 。 紊流噪声又称涡流噪声， 它是由于叶片 紊流附面层及其脱离引起气流压力脉动造成的噪声。 过去气动噪 声的研究主要源于经验模型、 公式的积累。随着仿真计算方法以 及计算机技术的发展， 数值仿真已经成为气动噪声仿真、 预测 、 降 噪的新手段。气动噪声的仿真方法主要分为三种 C A A、 S N G R和 S S P M方法。 计算气动声学 C A A - - C o m p u t a t i o n a l A e r o A c o u S t i c s 对计算 机的内存及计算速度要非常的高， 不能解决工程实际问题。宽频 声源模 型 S N G R --S t o c h a s t i c N o i s e G e n e r a t i o n a n d R a d i a t i o n 通过 计算速度较快的 R A N S 稳态计算可以得到时均化的速度分量、 压 力、 湍动能以及耗散率等。从现有的文献资料来看， 利用宽频噪声 模型可以计算出通风机各部分气动噪声声功率的大小， 得到的结果 也比较理想f 。声源和声传播分离计算方法 S S P M --S e g r e g a t e d S o u r c e P r o p a g a t i o n Me t h o d s 解决了C A A计算量巨大和 S N G R计 算结果精确度不足的问题。轴流风扇的非定常流场十分复杂， 如 何选择合适的湍流模型成为风机噪声预测的关键。 目前的湍流数 值模拟方法有三种 直接数值模拟 、 大涡数值模拟和雷诺平均模 拟。 湍流大涡数值模拟是有别于直接数值模拟和雷诺平均模式的 一 种数值预测湍流的方法， 大涡模拟将大尺度湍流直接使用数值 求解， 对小尺度湍流脉动建立模型。 这种方法的优点是 对空间分 辨率的要求远小于直接数值模拟方法 ； 另一方面， 它可以获得 比 雷诺平均模拟更多的湍流信息 。 2大涡模拟理论 大涡模拟采用过滤方法消除湍流小尺度脉动，过滤 N S 方 程导出得到大涡数值模拟的控制方程如下[7 1 一 一 一 2一 一O u i 一 巫 1 O t a x i P 3 x a 。 c J 来稿 日期 2 0 1 2 0 3 2 5 作者简介 伍文华 1 9 8 7 一 ， 男， 四川， 在读硕士研究生， 主要研究方向是数值仿真技术及计算流体力学； 杜平安 1 9 6 2 一 ， 男， 重庆， 博士， 博士生导师， 主要研究方向是数字化设计与仿真技术、 机电一体化及传感技术 伍文华等 大涡模拟在轴流风扇气动噪声仿真中的应用 第 1 期 _ O u 0 2 令 万 一 ， 则 式 2 可 写 作 拿 等一 丢 杂 ㈥ 方程 3 右端还有不封闭项 r 一 4 r．．称为亚格子应力，亚格子应力是过滤掉的小尺度脉动和 可解尺度湍流间的动量输运。要实现大涡数值模拟， 必须构造亚 格子应力的封闭模式。 不可压缩湍流的亚格子涡粘和涡扩散模型 采用分子粘性形式， 即 q 2 V ,T S } ．r 5 以 上 公 式 中 称 作 亚 格 子 涡 粘 系 数 ； } 是 可解尺度的变形率张量。将亚格子应力的涡粘模型式 5 代入到 大涡数值模拟控制方程式 3 可得 等 一 毒 争 奇 lv vt等 篆 J c6 可以看出，采用涡粘的湍流控制方程只是在分子扩散系数 上加上亚格子涡粘系数。涡粘系数是需要封闭的参数， 这里我们 采用 S ma g o r i n s k y 模式将亚格子涡粘系数写成以下形式 V t C m A ‘ 2 7 并在仿真过程中对模型常数 c--- 0 ． 1 8 做适当 修正以 克服耗散过大的问题。 至此大涡模拟的控制方程确立。 3研究对象及计算设置 仿真对象单级风扇 ，如图 1 所示。叶片数 z _ 5 ，转速 n 1 2 4 0 0 r ／ m i n 。全区域为非结构四面体网格。采用滑移网格处理风 扇旋转产生的可动区域。 求解器选择非定常， 基于压力隐式计算， 离散格式为三阶。湍流模型采用大涡模型，压力插值格式选择 P R E S T O ， 亚格子涡粘系数中的模型常数修正为 e o ． 1 。 图 1单级风扇模型 F i g ． 1 Mo d e l o f S i n g l e F a n 假定 轴为进气方向， 风扇中心位于坐标原点， 设定 6个噪 声监控点， 分别位于距离风扇中心的 l m远的位置。 声场计算过程中， 迭代参数设置为 时间步长 A t 5 e 一 5 ， 迭代 步数 N 5 0 0 ， 每一步最大迭代次数 M 3 0 ， 频率范围为 0 一 ， 其 中， I眦 1 ／ 2 △ f 1 e 4 h z ； 频率间隔 频谱分辨率 I ／ A t N 4 0 h z ； 流场发展时间 T A t x N 0 ． 0 2 5 s 。 4计算结果及分析 4 ． 1噪声产生机理 涡声理论认为声介质中涡的拉伸、 消散和破裂会产生声， 因 此我们可以将涡声理论作为一种分析手段用于解释涡与声的相 互关联， 建立流动中涡的形成与噪声产生机理的联系18 1。 图 2叶片表面涡量分布 F i g ． 2 Di s t rib u t i o n o f Vo r t i e i t y o n Bl a d e s u r f a c e 叶片表面涡量的分布云图， 如图2所示。由于叶片出口尾缘 涡脱落的存在以及进口区域和叶尖涡的影响， 在叶片尾缘以及进 口区域存在较大的涡量分布。其中进口区域对应进口湍流噪声， 尾缘对应涡脱落噪声， 两者是宽频噪声影响因素。 图 3叶片表面声压波动 F i g ． 3 W a v e Pr o p a g a t i o n o f S o u n d p r e s s u r e o n Bl a d e S u r f a c e 当叶轮旋转时， 叶片进口区内气流具有很大的不均匀性。这 种不均匀性气流周期地作用于周围介质，产生压力脉动形成噪 声， 属于离散噪声源。 叶片表面声压波动云图则可以看出， 叶尖涡 的离散噪声占据了风扇噪声的主要部分， 如图 3 所示。 4 _ 2基频验证 声场计算采用 F w H模型， 经 F F T 变换之后可得到监控点 噪声频谱图， 以监控点 1 为例， 它的噪声频谱图， 如图 4 所示。 6 ． O O e 0 1 盆 5 ．0 0 e 0 1 3 4 ．0 0 e o l 3． 0 0e 01 2 ．0 0 e 0 1 1 ．0 0 e 0 1 { 0 ．O O e O 0 一1 ．0 0 e 0 l -2 ．0 0 e 0 1 0 l e 0 32 e 0 33 e 0 3 4 e 0 35 e 0 3 6 e 0 3 7 e 0 3 8 e 0 3 9 e 0 3l e 0 4 F r e q u e n c y H z 图4监控点 1 的噪声频谱图 F i g ． 4 No i s e S p e c t r u m f o r t h e Fi r s t Mo n i t o ri n g Po i n t No ． 1 J a n ． 2 0 1 3 机 械 设 计 与 制 造 6 5 根据旋转噪声的频率计算公式f H z 为 i 8 式中 n 一叶片的转速，单位为 r ， m i n ； 一叶片数； 谐波序号， 1 ， 2 ， 3 ， ⋯． ， i 1 为基频 。 基频 厂 1 2 4 O 0 5 ， 6 O l 0 3 3 Hz ，与噪声频谱图中基频位置一 致。谐波频率位置也与频谱图中位置相符， 验证了仿真方法的正 确性。 5结论 采用大涡模拟 L E S 的方法对轴流风扇气动噪声进行了仿 真分析 ，从涡声理论的角度分析了轴流风扇的主要气动噪声来 源。 理论计算所得的旋转频率的基频和各次谐波的值与仿真结果 吻合， 验证了噪声法则的正确性， 表明大涡模拟在噪声计算中具 有良好的精确度， 符合工程应用要求。 参考文献 [ 1 ] 周新祥． 噪声控制技术及其新进展[ M] ．北京 冶金工业出版社， 2 0 0 7 2 3 5 ． Z h o u Xi n - x i a n g ．T h e t e c h n o l o g y a n d i t s p r o g r e s s o f n o i s e c o n t r o l [ M] ． B e ij i n g Me t a l l u r g i c a l I n d u s t r y P r e s s ， 2 0 0 7 2 3 5 ． [ 2 ] 昌泽舟等． 轴流式通风机实用技术[ M] ．北京 机械工业出版社， 2 0 0 5 2 0 3 - 2 0 4． C h a n g Z e - z h o u e t c ． P r a c t i c al t e c h n i q u e s o f a x i al f a n [ M] B e i J i n g C h i n a Ma c h i n e P r e s s 。 2 0 0 5 2 0 3 2 04． [ 3 ] T F u k a n o ． N o i s e g e n e r a t e d b y l o w P r e s s u r e axi al fl o w f a n s ， I M ode l i n g o f t h e t u r b u l e n c e n o i s e [ J ] ．J o u r n al o f S o u n d a n d V i b r a t i o n ， 1 9 7 7 5 O 6 3 一 7 4 ． 1 4 J A E F i l i o s ， N S T a c h o s ， A P F r a g i a s ， e t a 1 ．B r o a d b a n d n o i s e r a d i a t i o n a n a l y s i s f o r a n H A WT r o t o r [ J ] ． R e n e w a b l e E n e r gy． 2 o o 7 3 2 1 4 9 7 1 5 1 0 ． 1 5 j R o l a n dE w e r t ．B r o a d b a n d s l a t n o i s e p r e d i c t i o n b a s e d o nC A Aa n d s t o c h a s t i c s o u n d s o u r c e f r o m a f a s t r and o m p a r t i c l e m e s h R P M m e t h o d [ J ] ． C o mp u t e r s F l u i d s ， 2 0 0 8 3 7 3 6 9 3 8 7 ． [ 6 ] 崔桂香， 许春晓， 张兆顺． 湍流大涡数值模拟进展[ J ] ．空气动力学学报， 2 0 O 4． 2 2 2 1 22 1 2 3 ． C u i Gu i - x i a n g ，X u C h u n - x i a 0 ，Z h a n g Z h a o - s h u n ． Th e p r o g r e s s o f t u r b u l e n t e d d y s i mu l a t i o n [ J ] ． A c t a Ae r o d y n a mi e a S i n i c a ， 2 0 0 4 ， 2 2- 2 1 2 2 1 2 3 ． [ 7 ] 张兆顺， 崔桂香 ， 许春晓． 湍流大涡数值模拟的理论和应用[ M] ． 北京 清华大学出版社 ， 2 0 0 8 7 3 - 9 6 ． Z h an g Z h a o- s h u n ， C u i Gu i - x i a n g ，X u C h u n x i a 0 ． Th e t h e o ry a n d a p p l i c a t i o n o f t u r b u l e n t l a r g e e d d y s i m u l a t i o n[ M] ． B e i J i n g T s i n g h u a U n i v e r s i t y P r e s s ， 2 0 0 8 7 3 9 6 ． [ 8 ]田杰．空调器室外机轴流风机 系统 内部复杂流动及其气动声学研究 [ D ] ．上海 上海交通大学， 2 0 0 9 1 0 4 ． T i a n j i e ． S t u d y o n c o mp l i c a t e fl o w a n d a e r o d y n a mi c n o i s e o f axi a l fl o w f a n s y s t e mo u t d o o r u n i t s o f r o o m a i r c o n d i t i o n e r s[ D] ．s h a n g h a i S h a n g Ha i J i a o T o n g Un i v e rs i t y ， 2 0 0 9 1 0 4 ． [ 9 ] 彭博月 艮 务器气动噪声数值仿真方法研究与降噪设计[ D ] ． 成都 电子 科技大学 ， 2 0 0 9 6 5 6 6 ． P e n g b o ．T h e r e s e a r c h o f s i m u l a t i o n me t h o d a n d d e s i g n f o r S e r v e r a e r o d y n a m i c n o s i e [ D ] ． C h e n g D u U n i v e r s i t y o f E l e c t r o n i c S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y o f C h i n a ， 2 0 0 9 6 5 - 6 6 ． 上接第 6 2页 4结论 基于多重分形的振动检测方法绘制了某大型 3 WM风力机 主轴承振动信号多重分形奇异谱 _ 厂 。通过不同多奇异谱中 谱峰、 谱宽值对不同故障的敏感变化能够有效地判断出 3 WM风 力机主轴承存在的不同故障， 其识别率比传统方法或单一的分形 维数更有效。该方法不依赖风力机主轴承系统的数学模型， 对整 体系统信息状态反映直观， 有助于大型风力机这样的复杂动力特 性状态的早期识别。 参考文献 [ 1 ] Y ． A m i r a t ， M ． E ． H ．B e n b o u z i d ． A b ri e f s t a t u s o n c o n d i t i o n m o n i t o ri n g and f a u l t d i a g n o s i s i n w i n d e n e r g y c o n v e r s i o n s y s t e m s [ J ] ．R e n e w a b l e a n d S u s t a i n a b l e E n e r g y R e v i e w s ， 2 0 0 9 ， 1 3 9 2 6 2 9 - 2 6 3 6 ． [ 2 ] S j ． Wa t s o n ， B ． J ． X i a n g ， W． r a n g ， P ．J ．T a v n e r ， e t a 1 ．C o n d i t i o n M o n i t o ri n g o f t h e P o w e r O u t p u t o f Wi n d T u r b i n e G e n e r a t o r s U s i n g Wa v e l e t s [ J ] ． I E E E T r a n s a c t i o n s o n E n e r g yC o n v e rsi o n ， 2 0 1 0 ， 2 5 3 7 1 5 7 2 0 ． [ 3 ] 胡耀斌， 厉善元 ， 胡良斌．基于神经网络的滚动轴承故障诊断方法的研 究[ J ] _机械设计与制造， 2 0 1 2 2 1 8 7 1 8 8 ． H u Ya o b i n ， L i S h a n - y u a n ， H u L i ang - b i n ． F a u l t d i a g n o s i s o f r o l l i n g b e a r i n g b a s e d o n n e u r a l n e t w o r k[ J ] ． Ma c h i n e ry D e s i g n＆Ma n u f a c t u r e ， 2 0 1 2 2 1 8 7 - 1 8 8 ． [ 4 ] 陈雪峰， 李继猛， 程航风 力发电机状态监测和故障诊断技术的研究与 进展[ J ] ． 机械工程学报， 2 0 1 1 ， 4 7 9 4 5 5 0 ． C h e n X u e f e n g ， L i J i m e n g ， C h e n g Ha n g ．R e s e a r c h and a p p l i c a t i o n o f c o n d i t i o n m o n i t o ri n g a n d f a u l t d i a g n o s i s t e c h n o l o gy i n w i n d t u r b i n e s J ] ． J o u r n al o f Me c h a n i c al E n g i n e e ri n g ， 2 0 1 1 ， 4 7 9 4 5 5 O ． [ 5 ] J u n y a nr a n g ， Y o u y u n Z h a n g ， Yo n g s h e n g Z h u ． I n t e l l i g e n t f a u l t d i a g n o s i s o f r o l l i n g e l e me n t b e a ti n g b a s e do nS V Ms a n d f r a c t a l d i me n s i o n [ J ] ．Me c h a n - i c a l S y s t e ms a n dS i g n a l P r o c e s s i n g ， 2 0 0 7 ， 2 1 5 2 0 1 2 2 0 2 4 ． [ 6 ] 王炳成， 任朝晖， 侯荣涛．故障诊断中的多重分形分析[ J ] ．现代制造工 程 ， 2 0 1 0 7 1 5 ． Wa n g B i n g - c h e n g ， R e n Z h a o h u i ， H o u R o n g t a o ．Mu h i - f r a c t al a n a l y s i s o n f a u l t d i a g n o s e s [ J ] ．M o d e r n M a n u f a c t u ri n g E n g i n e e ri n g ． 2 0 1 0 7 1 - 5 ． [ 7 ] 曾聪敏， 张庆武， 郁超．分形理论在机械设备状态监测与故障诊断中的 应用[ J ] _ 机床与液压 ， 2 0 1 1 ， 3 9 1 3 1 4 8 1 5 0 ． Z e n g C o n g - mi n ， Z h a n g Q i n g - w u ， Yu C h a o ．Ap p l i c a t i o n o f f r a e t al t h e o ry i n s t a t e m o n i t o ri n g a n d f a i l u r e d i a g n o s e o f me c h a n i c al e q u i p m e n t l J J ． Ma c h i n e T o o l ＆H y d r a u l i c s ． 2 0 1 1 。 3 9 1 3 1 4 8 1 5 0 ． [ 8 ] K ． F a l c o n e r ， “ F r a c t a l G e o m e t r y Ma t h e ma t i c a l F o u n d a t i o n s a n d Ap p l i c a t i - o n s ， ” s e c o n d e d ． ， W i l e y， C h i c h e s t e r ， 2 0 0 3 ． [ 9 ] H u J i n q i u ， Z h a n g L a i b i n ， H a n g We i ． I n c i p i e n t m e c h a n i c a l f a u l t d e t e c t i o n b a s e d o n mu h i f r a c t a l a n d M T S me t h o d s l J J ． P E T R O L E UM S C I E N C E， 2 0 0 9 ． 6 2 2 0 8 - _ 2 l 6