大涡模拟在轴流风扇气动噪声仿真中的应用

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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：CAA、SNGR和SSPM方法。

计算气动声学(CAA--Computational Aero AcouStics)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№频声源模型(SNGR-Stochastic Noise Generation and Radiation)通过计算速度较快的RANS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(SSPM-SegregatedSource-Propagation Methods)解决了CAA计算量巨大和SNGR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- 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-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[71：- - - - 2--Oui - 巫 (1)Ot axi P 3x a。cJ来稿日期：2012-03-25作者简介：伍文华(1987-)，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(1962-)，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-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Ou0 (2)令 万 ( - )，则式(2)可写作：拿等- 丢 杂 ㈥方程(3)右端还有不封闭项：r ( - ) (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：'q2V，TS .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～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-毒 争)奇l(vvt)(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 Smagorinsky模式将亚格子涡粘系数写成以下形式：VtCmA(2 ) (7)并在仿真过程中对模型常数 (c-0.18)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z5，转速 n12400r/min。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PRESTO!，亚格子涡粘系数中的模型常数修正为eo.1。

图 1单级风扇模型Fig.1 Model of Single Fan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lm远的位置。

声称算过程中，迭代参数设置为：时间步长 At5e-5，迭代步数N500，每-步最大迭代次数M30，频率范围为(0- )，其中，I眦1/(2×△f)1e4hz；频率间隔(频谱分辨率) I/(AtN)40hz；流场发展时间 TAtxN0.025s。

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-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181。

图2叶片表面涡量分布Fig.2 Distribution of Vortieity on Blade surface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Fig.3 Wave Propagation of Sound pressure on Blade Surface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。

42基频验证声称算采用 Fw-H模型，经 FFT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.OOe01盆 5.00e013 4.00eol3.00e012.00e011.00e01 0.OOeO0- 1.00e0l- 2.00e010 le032e033e034e035e036e037e038e039e03le04Frequency(Hz)图4监控点 1的噪声频谱图Fig.4 Noise Spectrum for the First Monitoring PointNo.1Jan.2013 机 械设 计 与 制造 65根据旋转噪声的频率计算公式f(Hz)为：i (8)式中：n-叶片的转速，单位为 r，min； -叶片数； -谐波序号， 1，2，3，.，i1为基频。

基频厂：124O0 5，6Ol033Hz，与噪声频谱图中基频位置-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(LES)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。