風扇在電子設備中廣泛應用，主要用于散熱赘被。為了降低成本是整，人們不斷縮小風扇直徑和提高轉速，導致噪音水平上升砍篇。為了選擇合適的設計以叛，需要精確而經(jīng)濟的仿真工具。除了在自由空間或風洞試驗條件外笛蛋，風扇在產(chǎn)品安裝條件下使用疼喝，因此需要對聲場進行精確預測。本文介紹了發(fā)表于Inter-Noise 2023的“Numerical prediction of noise generated from a box fan”論文的相關內容绢拓。

◆ 測試方法與計算參數(shù)

論文提到兩種風扇噪聲聲場的預測方法：一種是假設聲音在自由空間中傳播我值，結合CFD軟件進行仿真；另一種是混合方法然怕，從CFD軟件中提取聲源岸零，通過聲學求解器進行傳播。本次試驗使用CFD軟件中的scFLOW軟件進行非穩(wěn)態(tài)流場計算胜全，預測自由空間聲場中的聲壓域毡。我們還使用Actran軟件計算聲壓級爪只。兩款軟件均由豪殴Γ克斯康工業(yè)軟件開發(fā)，具有良好的數(shù)據(jù)交互性先嬉。

scFLOW是一款全面的CFD軟件轧苫，基于有限體積法（FVM），適用于任意多面體網(wǎng)格疫蔓。本研究使用不可壓縮非穩(wěn)態(tài)壓力求解器和LES的WALE模型含懊，并采用精細網(wǎng)格。時間間隔為360°/4096衅胀，即一圈分為4096步岔乔。RANS計算結果作為LES仿真的初始條件。計算了25個循環(huán)滚躯，前5圈達到穩(wěn)態(tài)雏门，后20圈用于評估。入口和出口條件分別為總壓和流速掸掏。scFLOW具有FW-H聲壓預測功能茁影，加密了護罩側壁周圍的網(wǎng)格以捕捉渦流軌跡。

商業(yè)軟件Actran基于有限元法（FEM）計算遠場傳播到相關聲源的情況，進行計算募闲。該求解器能考慮安裝效應和平均流引起的對流效應步脓。偶極子聲源主導小風扇情況，由旋轉葉片的載荷產(chǎn)生嘱庸，用聲學域中嵌入的固定偶極子環(huán)進行仿真空崇。完成力映射和傅立葉變換后，得到頻域中的偶極子滥尉。在聲學仿真中掷戚，設置不包括旋轉葉片，用靜態(tài)偶極子代替肥册。遠場中猫郎，包圍域表面非反射，保留必要信息严荷。支桿和套管表面對聲波傳播完全剛性矩修。求解器提供聲學信息，如聲功率或聲學云圖啼康。

與FW-H仿真相同厅揍，偶極子源由CFD仿真的最后20個風扇旋轉計算得出。信號源按三個時間間隔排列凑逗，每個間隔對應10圈（0.2s）弹惦。通過兩款軟件的計算，我們比較了壓升結果與實驗結果悄但，可視化了流場棠隐。我們還比較了FW-H法和偶極環(huán)法預測的聲壓級與實驗結果。討論了兩種方法的結果的差異檐嚣，以及產(chǎn)生不同聲學特性的原因助泽。

◆ 計算結果

圖1 風扇性能特性

論文中對通過scflow分析對風扇性能與實驗結果進行了對比，如圖1所示嚎京，從對比中可知嗡贺，風扇性能預測的非常準確。

基線風扇在低流速范圍內性能不佳鞍帝，而高負荷風扇在此范圍內表現(xiàn)良好诫睬。高負荷風扇通過將失速點轉移到較低流量側，實現(xiàn)了更高的壓升和更寬的運行范圍帕涌。數(shù)值模擬結果與實驗結果相符摄凡，表明流場得到了良好再現(xiàn)。

圖2 利用Q標準實現(xiàn)渦流可視化

渦流結構主要出現(xiàn)在壁面附近以及葉尖和側壁周圍宵膨。對于高流速的兩臺風機庇启，葉尖渦流逐漸增大并在下一個葉片下平穩(wěn)流動丢墅。中等流速時，兩種風機在流動特性上存在差異盛媚∶Ъ颍基準風機尖端渦流與下一個葉片前緣相互作用，增加不穩(wěn)定性撤忆；而高負荷風機無明顯相互作用淹宽。在低流量時，兩個風扇上的氣流完全停滯矿钩。

圖3 FW-H方法和偶極環(huán)方法在監(jiān)測點的聲壓譜與實驗結果和數(shù)值結果的比較

對于聲壓劫丧，我們比較了FW-H方法和偶極環(huán)法的預測結果，如圖3所示蛀家。上圖中FW-H為scflow的計算結果浊待，Ring dipoles為Actran相結合的偶極環(huán)法計算結果。偶極環(huán)法更接近實驗結果馅溉，尤其在低頻部分缔类，這可能是由于FW-H假設聲音在自由空間傳播，而偶極環(huán)法的Actran更接近實際裝置劲阎。實驗表明绘盟，在第一個葉片通過頻率(BPF)為250Hz時，會出現(xiàn)較強峰值悯仙，尤其是高流速φ=0.22時龄毡。但兩種方法都無法預測這些峰值。

圖4 輻射聲壓與流速相關性的比較锡垄；在實驗中觀察到的監(jiān)測點處的聲壓水平和通過偶極環(huán)方法預測的輻射功率

我們還比較了輻射聲壓與流速的關系沦零。實驗結果與偶極環(huán)法預測的輻射功率一致。對于基線風扇偎捎，中等流量與低流量聲壓級相同蠢终；對于高負荷風扇序攘，中等流量比低流量更安靜茴她。偶極環(huán)法成功捕捉到這種差異。對于高流量風機程奠，觀測點無法通過數(shù)值預測第一個BPF峰值丈牢，但輻射聲功率可觀測到這些峰值。這可能與外墻干擾或反射有關瞄沙。

眾所周知已箫，壁面壓力與聲音產(chǎn)生相關。FW-H中聲壓由壁面壓力獲得坟荤，偶極環(huán)法中聲壓由葉片上流體力計算得出蕴节。在低流速和中流速下饼尾，壓力波動較大，葉片前緣附近尤為明顯贷弧。這是由于葉片尖端與渦流間的相互作用谐昌。而高流量和中等流量φ=0.16的風機未觀察到強烈壓力波動，噪聲水平降低窟潜。

◆ 結 論

綜上所示筒啄，我們提出了兩種預測箱式風機噪聲的方法：一種是FW-H方法，通過CFD軟件仿真流動和聲學翅栖；另一種是偶極子環(huán)法贤方，是CFD和聲學軟件的相結合的方法。這些方法已在兩種不同葉片配置的小型箱式風機上驗證谅褪。我們還計算了風機的三個流量系數(shù)献甘，并使用細網(wǎng)格LES求解非穩(wěn)態(tài)流場。

數(shù)值結果表明张抄，壓升性能與實驗結果一致男旗。兩臺風機有不同的失速點，計算結果也預測了這一點欣鳖。比較實驗結果與FW-H法和偶極環(huán)法預測的聲壓級察皇，發(fā)現(xiàn)偶極環(huán)法的結果更接近實驗結果，尤其是在低頻范圍泽台。偶極環(huán)法可定性地捕捉到實驗中輻射聲壓與流速的關系什荣。最后，我們討論了不同葉片結構產(chǎn)生不同聲音特性的原因怀酷。在基線風扇的中等流速下稻爬，葉尖與渦流的相互作用導致機翼前緣附近產(chǎn)生強烈的壓力波動和噪聲。

（和梢溃克斯康工業(yè)軟件）

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