設計仿真 | 箱式風扇噪音的數值預測

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

◆ 測試方法與計算參數

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，結合CFD軟件進行仿真；另一種是混合方法，從CFD軟件中提取聲源，通過聲學求解器進行傳播。本次試驗使用CFD軟件中的scFLOW軟件進行非穩態流場計算，預測自由空間聲場中的聲壓。我們還使用Actran軟件計算聲壓級。兩款軟件均由海克斯康工業軟件開發，具有良好的數據交互性。

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

商業軟件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。該求解器能考慮安裝效應和平均流引起的對流效應。偶極子聲源主導小風扇情況，由旋轉葉片的載荷產生，用聲學域中嵌入的固定偶極子環進行仿真。完成力映射和傅立葉變換后，得到頻域中的偶極子。在聲學仿真中，設置不包括旋轉葉片，用靜態偶極子代替。遠場中，包圍域表面非反射，保留必要信息。支桿和套管表面對聲波傳播完全剛性。求解器提供聲學信息，如聲功率或聲學云圖。

與FW-H仿真相同，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，每個間隔對應10圈（0.2s）。通過兩款軟件的計算，我們比較了壓升結果與實驗結果，可視化了流場。我們還比較了FW-H法和偶極環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，以及產生不同聲學特性的原因。

◆ 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，從對比中可知，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，而高負荷風扇在此范圍內表現良好。高負荷風扇通過將失速點轉移到較低流量側，實現了更高的壓升和更寬的運行范圍。數值模擬結果與實驗結果相符，表明流場得到了良好再現。

圖2 利用Q標準實現渦流可視化

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

圖3 FW-H方法和偶極環方法在監測點的聲壓譜與實驗結果和數值結果的比較

對于聲壓，我們比較了FW-H方法和偶極環法的預測結果，如圖3所示。上圖中FW-H為scflow的計算結果，Ring dipoles為Actran相結合的偶極環法計算結果。偶極環法更接近實驗結果，尤其在低頻部分，這可能是由于FW-H假設聲音在自由空間傳播，而偶極環法的Actran更接近實際裝置。實驗表明，在第一個葉片通過頻率(BPF)為250Hz時，會出現較強峰值，尤其是高流速φ=0.22時。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；在實驗中觀察到的監測點處的聲壓水平和通過偶極環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。實驗結果與偶極環法預測的輻射功率一致。對于基線風扇，中等流量與低流量聲壓級相同；對于高負荷風扇，中等流量比低流量更安靜。偶極環法成功捕捉到這種差異。對于高流量風機，觀測點無法通過數值預測第一個BPF峰值，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。

眾所周知，壁面壓力與聲音產生相關。FW-H中聲壓由壁面壓力獲得，偶極環法中聲壓由葉片上流體力計算得出。在低流速和中流速下，壓力波動較大，葉片前緣附近尤為明顯。這是由于葉片尖端與渦流間的相互作用。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。

◆ 結論

綜上所示，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；另一種是偶極子環法，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。我們還計算了風機的三個流量系數，并使用細網格LES求解非穩態流場。

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