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汽車空調(diào)噪聲
2020-02-03 20:44:09· 來源：獨孤求靜
貫流風(fēng)機在行業(yè)里面也稱為多葉離心風(fēng)機，具有結(jié)構(gòu)緊湊加工簡單等特點。不論是汽車空調(diào)還是建筑暖通通風(fēng)設(shè)備都大量使用貫流風(fēng)機。圖1 汽車HVAC結(jié)構(gòu)雖然貫流風(fēng)機葉
貫流風(fēng)機在行業(yè)里面也稱為多葉離心風(fēng)機，具有結(jié)構(gòu)緊湊加工簡單等特點。不論是汽車空調(diào)還是建筑暖通通風(fēng)設(shè)備都大量使用貫流風(fēng)機。
圖1 汽車HVAC結(jié)構(gòu)
雖然貫流風(fēng)機葉片非常多，但是葉片弦長很短，整個風(fēng)機屬于中低稠度葉片類型。中低稠度葉片在運行中往往不能有效控制流體流動，容易發(fā)生流動分離等現(xiàn)象。同時旋轉(zhuǎn)葉片進出口距離小，出口高速流體容易繞過上輪轂面回流到進口，形成高強度復(fù)雜的湍流現(xiàn)象。貫流風(fēng)機內(nèi)部復(fù)雜的流動特性使得這類風(fēng)機噪聲頻譜千變?nèi)f化，很難借鑒以往工程經(jīng)驗進行聲源分析。
圖2 貫流風(fēng)機葉片結(jié)構(gòu)
少林拳：模型建立
Frank等于2011與Denso汽車空調(diào)貫流風(fēng)機進行聲學(xué)計算。根據(jù)汽車空調(diào)不同工作模式對應(yīng)風(fēng)量分別為 270CMH, 471CMH 以及 623CMH. 風(fēng)機葉片直徑 ~300mm , 聲學(xué)測試中聲學(xué)麥克風(fēng)分布如圖3所示。測試結(jié)果表明聲壓級主要分布在200~2000Hz。
圖3 風(fēng)機工況和麥克風(fēng)測點
在PowerFlow軟件內(nèi)建立數(shù)值消聲室，在壁面設(shè)定聲學(xué)阻尼模擬消聲室墻壁吸聲特性，給定風(fēng)機轉(zhuǎn)速，并延長出口加載風(fēng)機工作風(fēng)量。
圖4 PowerFlow數(shù)值消聲室示意圖
空間數(shù)值離散如圖5所示，在風(fēng)機附近設(shè)置加密區(qū)，其中葉片附近最小網(wǎng)格尺寸為0.6mm，蝸殼壁面網(wǎng)格尺寸為2.4mm,消聲室網(wǎng)格最大尺寸為19.2mm。
圖5 空間離散網(wǎng)格尺寸分布
寒冰神掌：流場結(jié)果
風(fēng)機壓差和流量分布對比如圖6所示，三個不同流量計算結(jié)果顯示當(dāng)前仿真結(jié)果與實測壓差趨勢一致，但是仿真中壓差均偏低50Pa左右?？赡艿脑蚴悄Ｐ筒町愐约皵?shù)值空間離散精度不足。
圖6 風(fēng)機壓差和風(fēng)力分布對比
瞬態(tài)壓力和速度分布對比結(jié)果顯示蝸殼出口壓力壓力區(qū)域穩(wěn)定，速度分布表明蝸舌附近流場脈動最明顯，主要是因為旋轉(zhuǎn)葉片與蝸舌周期性動靜干涉作用。
圖7 瞬態(tài)壓力和速度分布對比
蝸舌處平均流場速度分布如圖8所示，整個葉片流道內(nèi)發(fā)生明顯的流動分離并在葉片出口附近形成明顯的速度差，并在下游逐漸發(fā)展為漩渦結(jié)構(gòu)。
圖8 蝸舌處平均流場速度分布
風(fēng)機內(nèi)渦系結(jié)構(gòu)分布顯示高壓差（OC3）工況中進口回流明顯，這股回流會增加流動損失降低風(fēng)機效率。進口回流湍流強度高會顯著增加當(dāng)?shù)孛}動強度，往往形成頻譜中的駝峰現(xiàn)象。
圖9 渦系結(jié)構(gòu)分布
獅吼功：聲學(xué)結(jié)果
基于LBM求解器的PowerFLOW數(shù)值耗散非常低，可以直接求解聲波以及聲傳播過程。下圖瞬態(tài)壓力脈動顯示風(fēng)機聲源向空間輻射過程，聲波在空間傳播過程中聲壓強度逐漸降低。
圖10 聲源空間輻射過程
麥克風(fēng)A點1/3倍頻程頻譜對比如圖11左圖所示，仿真和測試結(jié)果在2500Hz以內(nèi)趨勢和各頻段聲壓級大小均一致。超過2500Hz后仿真預(yù)測低于實測值，這是由于高頻聲波波長更短，數(shù)值計算中需要更小空間網(wǎng)格尺度來控制數(shù)值耗散對聲波求解的影響。測試工況OC1四點麥克風(fēng)總聲壓級對比如右圖所示，其中軸向A,B,D三個麥克風(fēng)聲壓級誤差小于0.5dB, 斜向45°麥克風(fēng)C仿真結(jié)果低于測試值~2dB,很可能的原因也是當(dāng)?shù)鼐W(wǎng)格精度不足。
圖11 聲壓級頻譜和總聲壓級對比
乾坤大挪移：仿真模型調(diào)試
針對以上仿真結(jié)果風(fēng)機風(fēng)量和壓差相互關(guān)系存在的疑問，改變空間離散尺寸設(shè)置。具體為將葉片最小網(wǎng)格尺寸下降為0.4mm,并對風(fēng)機進口附近進行局部加密。網(wǎng)格加密對比如圖12,13所示。
圖12 風(fēng)機水平截面網(wǎng)格尺寸對比
圖13 風(fēng)機軸向截面網(wǎng)格尺寸對比
圖14所示為風(fēng)機壓力和風(fēng)量分布對比，結(jié)果顯示當(dāng)前網(wǎng)格加密后，仿真預(yù)測得到的風(fēng)機壓差與實測誤差小于5%，因此網(wǎng)格加密可以改進貫流風(fēng)機壓差預(yù)測精度。
圖14 風(fēng)機壓差和風(fēng)力分布對比
風(fēng)機1/3倍頻程分布和總聲壓級對比結(jié)果如圖所示。頻譜分布結(jié)果顯示當(dāng)前模型能夠捕捉2000Hz以內(nèi)的噪聲，超過2000Hz仿真預(yù)測結(jié)果會明顯低于實驗值?？偮晧杭墝Ρ冉Y(jié)果顯示四個不同麥克風(fēng)仿真結(jié)果均與實測值誤差低于0.5dB。
圖15 聲壓級頻譜和總聲壓級對比
玄冥神掌：優(yōu)化方案驗證
為了改善葉片與蝸舌之間動靜干涉作用，修改蝸殼結(jié)構(gòu)并評估噪聲水平。下圖中綠色實線為優(yōu)化蝸殼型線。
圖16 蝸舌結(jié)構(gòu)對比
蝸舌附近500~1500Hz瞬態(tài)脈動壓力分布對比如下圖所示。結(jié)果顯示蝸舌結(jié)構(gòu)會影響附近葉片流道內(nèi)壓力脈動，改變蝸舌形狀和位置可以顯著降低葉片內(nèi)的壓力脈動，從而降低噪聲源能量。
圖17 蝸舌處瞬態(tài)脈動壓力分布
兩種蝸殼測試和仿真結(jié)果對比如下圖所示，測試結(jié)果對比顯示優(yōu)化蝸舌結(jié)構(gòu)可以降低400~2000Hz聲壓級大小，仿真結(jié)果對比顯示0~2000Hz均有明顯的降噪作用?？偮晧杭墝Ρ蕊@示原始模型仿真和實驗誤差較小，但是優(yōu)化模型仿真結(jié)果低于實測結(jié)果~4dB,不同模型總聲壓級趨勢實測和仿真一致。
圖18 聲壓級頻譜和總聲壓級對比
九陽神功:噪聲源識別--獨家
貫流風(fēng)機葉片數(shù)量多，流場復(fù)雜使得噪聲源激勵往往是多種激勵混合。為此基于驗證的仿真結(jié)果來逆向定位噪聲源就具有非常明顯的工程價值。下圖所示通過PowerFlow精確預(yù)測某一個貫流風(fēng)機離散噪聲頻譜特性，其中750~1050Hz是該風(fēng)機聲能量集中頻段。
圖19 聲壓級頻譜對比
基于渦聲理論以及傳遞函數(shù)方法，PowerFlow噪聲源識別技術(shù)可以輕易的定位頻譜中750~1050Hz頻段噪聲源位置，從而輔助工程實踐中制定有效降噪方案。如圖20所示當(dāng)前750~1050Hz噪聲主要來自風(fēng)機蝸殼擴張段，進口回流以及電機散熱腔體等。
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