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[CFD及热分析] 基于CFD技术的风机降噪结构设计优化流程

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发表于 2018-3-19 16:15 | 显示全部楼层 |阅读模式

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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。
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  图1 发电机的外部和内部形状

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  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。
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  图3 面网格和计算域

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  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。
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  图5 转子表面压力和垂直截面上的压力和速度

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  图6 风机表面压力及水平截面上的绝对和相对速度

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  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。
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  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
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  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
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  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。
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  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。
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  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。
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  图12 优化的风扇形状

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  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。
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  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。
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  图15 叶轮表面压力和流线的粒子追踪

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  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。

  本文由大友科技(公众号:tstechgroup)提供。大友科技作为振动、噪声、疲劳、环境领域专业解决方案的全球性供应商,为国内外用户提供各类先进的声学及环境实验设施、研发测试工具及整机性能开发服务平台。文中的清友公司为清华苏州研究院与其合作建立的在振动噪声(NVH)、碰撞性能开发、疲劳耐久与可靠性、车辆动力学与底盘开发、结构轻量化和零部件及环境试验领域提供工程咨询和技术服务的专业平台。

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