基于CFD技术的风机降噪结构设计优化流程

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　　风机(如发电机冷却风扇)工作过程中会产生较大噪声，转速越高，噪声越大。气动噪声作为主要噪声之一，是研究风机降噪、提高风机性能的重要研究对象，而风机气动噪声的降噪设计过程相当复杂，要同时考虑风机的流量、流道等结构设计。

　　清友公司与国际专家团队曾成功合作进行发电机冷却风扇降噪设计，以此为例，与大家分享基于CFD技术与结构优化的风机降噪设计流程。

　　风机工作转速变化范围比较广，从3000rpm到18000rpm。影响风机工作性能和噪声特性变量有：风机的外径和宽度、叶片的入口/出口角、弦长、叶片数等，由于风机外径和宽度设计空间受限，因此本项目选择叶片的入口/出口角、弦长和叶片数作为主要的设计优化变量。

　　优化方法采用DOE方法，该方法是6西格玛统计设计(DFSS)方法中经常使用的方法。由冷却风扇的4个设计变量，根据4-factor/3-level排列，设计了9组冷却风扇，并对每一组进行了CFD和CAA(气动声学)分析。通过DOE优化方法检查每个变量的变化趋势。设计软件使用SC/Tetra流体计算软件和FlowNoise S/W 噪声计算软件。

　　电机和冷却风扇模型

　　图1为研究中使用的电机模型，电机内部有2个冷却风扇，风扇1冷却发电机线圈和转子，风扇2用于冷却控制发电的电气部分。图2为离心式风机的平面图，图中显示了风机的主要设计因素。

　　图1 发电机的外部和内部形状

　　图2 离心风机叶轮形状和术语

　　非稳态流场计算

　　图3、图4为电机表面网格和网格计算示意图，电机表面网格基本尺寸为1.5mm，复杂的结构及细节采用更细的网格。仿真工况选择3000rpm、10000rpm、18000rpm，湍流模型选用RNG K-模型，能够获得压力场数据和速度矢量场数据，预估偶极子源比较准确。

　　图3 面网格和计算域

　　图4 计算网格

　　仿真结果

　　图5为原电机的仿真的压力分布和速度矢量分布。图6为风扇2上的压力分布和速度矢量分布。图7为风扇噪声频谱分析。

　　图5 转子表面压力和垂直截面上的压力和速度

　　图6 风机表面压力及水平截面上的绝对和相对速度

　　图7 离心风机风扇噪声声谱图

　　图8显示了声学计算值与实测值的对比，低转速区符合地较好。高转速区误差较大，原因是没有考虑到传递损失。总体上看，总声压级的变化趋势与实测值吻合地较好。

　　图8 实测数据与计算预测的声频谱比较

　　风机设计

　　1. 主要变量设计

　　表1 设计变量和等级范围

　　设计变量和等级范围如表1。这里有4个变量和3个等级，用相关联的L9 DOE表所示，如表2，以这种方式设计的风扇结构如图9所示。

　　表2 L9 DOE表

　　图9 L9 DOE风扇设计表

　　对于上面9组风扇，分别进行流场和声学仿真，工况选择在10000rpm。图10为新设计风扇的流体和声学仿真结果，L5设计结构可以同时满足高流体性能和低噪声水平，噪声比原设计降低3dBA。

　　图10 新设计风扇的流体和声学仿真结果

　　图11显示了流量和噪声的DOE分析结果，可得知入口角对流量没有太大影响，但可以选择一个最佳值。出口角的变化对流率和噪声的影响呈相同的趋势，风机叶片增加时，流量增加，噪声下降，因此，可优化叶片数值。

　　图11 流率和噪声的分析结果

　　2. 离心风机的变节距设计
　　在第一次优化过程中，流量基本不变，噪声降低了3dBA。通过DOE分析结果可知，叶片增加会使流量和噪声性能改善，图12为风扇优化后的设计结构，将叶片数增加到了16个，图13显示了优化后16叶片风扇的流量和噪声仿真结果，与原风扇设计相比，流量增加了2.7%，噪声降低了4dBA。

　　图12 优化的风扇形状

　　图13 优化风扇的仿真结果

　　3. 原风扇与优化后风扇声学性能对比
　　图14为原风扇设计、L5结构设计和增加叶片优化后风扇声学频谱比较图，优化风扇声学特性最好。

　　图14 原风扇、L5、优化风扇声学频谱

　　图15为原风扇和优化风扇叶轮表面压力和流线的粒子追踪，优化风扇流场更有序，压力分布更平缓。图16为气动声学分析图。

　　图15 叶轮表面压力和流线的粒子追踪

　　图16 气动声学分析——Flow Noise

　　小结

　　1) 该研究采用了CFD和Flow Noise联合数值分析;
　　2) 采用了较DFSS更优化的L9 DOE设计方法;
　　3) 设计的优化风扇，流量性能提高了3%，噪声降低了4dBA;
　　4) 仿真结果与实测结果吻合较好，能够在设计早期提供优化方案，指导设计。

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