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第40 卷第4期2023年7 月D0I:10.19471/ki.16736397.2023.04.009内燃机与动力装置INTERNALCOMBUSTIONENGINE&POWERPLANTVol.40 No.4Jul.2023风扇宽频涡流气动噪声分析及降噪张晓辉1-2,丁保安1-2,王景新1-2 张伟龙1-2,李超1-2,赵雪飞1.21.内燃机可靠性国家重点实验室，山东潍坊2 6 10 6 1;2.潍柴动力股份有限公司，山东潍坊2 6 10 6 1摘要：为降低风扇的宽频涡流气动噪声，基于风扇气动噪声仿真流程和声比拟理论，采用流体仿真软件STAR-CCM+建立三维模型计算风扇叶片时域脉动压力，并与声学软件LMSvirtual lab扇声源分区合成的风扇叶片时域脉动压力对比，对风扇噪声进行仿真计算和整车噪声测试验证。将风扇护风罩与风扇叶尖间隙由15mm调整为5mm,并对比优化前后仿真计算与整车噪声测试结果。结果表明：STAR-CCM+软件计算的风扇叶片时域脉动压力曲线与声学软件LMSvirtuallab扇声源分区合成的风扇叶片时域脉动压力曲线吻合度较好;LMStestlab软件仿真分析频谱与整车噪声测试结果声压级相对误差为0.56%,结果基本一致；风扇护风罩与风扇叶尖间隙由15mm调整为5mm后，仿真计算和整车测试噪声声压级均方根分别降低了约9.0 0、4.0 0 dB,降噪效果明显。关键词：风扇；气动噪声；压力脉动；窄频BPF噪声；宽频涡流噪声中图分类号：TK411t.6引用格式：张晓辉，丁保安，王景新，等.风扇宽频涡流气动噪声分析及降噪 J.内燃机与动力装置，2 0 2 3,40(4):61-66.ZHANG Xiaohui,DING Baoan,WANG Jingxin,et al.Analysis of fan wide-band eddy aerodynamic noiseand its noise reductionJ.Internal Combustion Engine&Powerplant,2023,40(4):61-66.0引言文献标志码：A文章编号：16 7 3-6 3 9 7(2 0 2 3)0 4-0 0 6 1-0 6噪声源主要由振动噪声源和气动噪声源构成 。振动噪声由结构振动辐射产生，气动噪声是由流体流动中的流引起并传播出来的噪声，在各种高速机械（如高铁、飞机、汽车以及旋转机械等）中均会产生 2 。风扇在旋转做功时切割空气,形成涡流，产生气动噪声，主要有窄频带的叶片通过频率离散（bladepassingfrequency,BPF）噪声和宽频带涡流噪声2 种。BPF噪声影响声音品质，主要由风扇旋转过程中叶片附近的周期性压力脉动产生，与风扇转速和叶片数相关。BPF噪声频谱曲线成倍频关系，具有周期性强、易于分析的特点；宽频涡流噪声影响总噪声，主要由叶尖间隙回流到风扇入口和旋转叶片的相互作用产生，具有成因复杂、不易分析的特点 3-4。本文中基于风扇气动噪声仿真流程，建立发动机舱的三维计算流体动力学（computational fluiddynamics，C FD）仿真模型，通过流体分析软件STAR-CCM+和噪声分析软件LMSvirtual lab,对比分析仿真噪声与整车噪声测试结果，确定降噪方案，进行优化前、后仿真噪声及整车噪声测试对比。1仿真分析1.1仿真分析流程风扇气动噪声仿真分析包含基于STAR-CCM+发动机舱流场仿真、基于LMSvirtuallab风扇气动噪声收稿日期：2 0 2 3-0 3-0 5基金项目：国家重点研发计划项目（2 0 18 YFB0106502）第一作者简介：张晓辉（19 8 6 一），男，山东潍坊人，工程师，工学硕士，主要研究方向为发动机NVH仿真及结构可靠性，E-mail:zhangxiaohui02 。62仿真分析、基于LMStestlab测试数据处理3 部分，仿真分析流程如图1所示。风扇、护风罩、发动机舱三维数模，导出.stp导入Hypermesh,在Nastran环境下划分面网格，导出.bdf导人STAR-CCM+进行稳态流场仿真STAR-CCM+进行瞬态流场仿真，导出.cgns流场仿真1.2三维模型风扇气动噪声仿真分析的三维模型包括发动机舱、发动机、风扇、护风罩，该发动机舱的长、宽、高分别为2.2、1.2、1.2 m,以风扇中心线与轮毂后安装面交点为原点0,风扇旋转方向为z+,竖直向上为y+，按照右手定则判断+方向，将模型以.stp格式导人Hypermesh后,对模型表面进行网格划分，面网格均为三角形网格，并保留各风扇叶片边缘三维特征，简化处理轮毂和发动机通过连接盘相连部分，网格划分后的风扇气动噪声仿真分析的三维模型如图2 所示。对发动机舱设置流场分析风洞，小风洞的长、宽、高分别为2.5、1.5、1.5m，大风洞按照约发动机舱的5倍建立，长、宽、高均为6.0 m，风洞结构示意如图3 所示。内燃机与动力装置导人LMSvirtual lab,作为风扇源激励在LMS virtual lab中,进行风扇气动噪声仿真上在LMSvirtual lab中,进行仿真结果后处理气动噪声仿真图1风扇气动噪声仿真分析流程2023年7 月第40 卷LMStestlab风扇噪声测试数据，导出.idsf导人LMSvirtuallah中,进行数据处理测试数据处理发动机舱发动机风扇护风罩X6.0m1.5m1.5m2.5m6.0 m图2 三维模型图3 流场分析风洞结构示意1.3CFD 仿真采用STAR-CCM+软件建立发动机舱的三维CFD仿真模型，并对稳态流场与瞬态流场设置对应的模型参数。CFD计算的边界条件主要有：人口设置为速度，初始化设置为0；出口设置为压力，初始化设置为0。计算稳态流场与瞬态流场时，要求模型参数均为全y+壁面处理、精确壁面距离、分离流体温度、理想气体、梯度、分离流、流、三维。稳态流场计算时设置模型为：k-8湍流模型、Navier-Stokes equation、定常,其中，k-8模型适合模拟完全端流的流动过程,Navier-Stokes equation是描述黏性不可压缩流体动量守恒的运动方程。瞬态流场计算时设置模型为：FW-H非稳态模型、气动声学、SSTk-分离涡、分离涡模拟、隐式不定常,其中,FW-H非稳态模型采用气动声学计算方程,将表面负载脉动转化为旋转偶极子,适用于扇声源分析;SST k-分离涡模型引入湍流黏度限制,使模型应用更广泛 5-6 1 基于STAR-CCM+发动机舱流场仿真分析风扇噪声时,采用多参考系，计算风扇直径为48 5mm，叶片数为10,最高转速为19 7 5r/min的稳态流场，为瞬态计算提供初始流场；采用滑移网格进行瞬态流场计算，控制时间步长为1ms，得到多个周期的变化后结束。仿真计算的发动机舱稳态流场、瞬态流场如图46.0m压力/Pa30018060-60-180300第4期所示。瞬态流场不同时刻的压力云图如图5所示。a)稳态流场a)第 0.3 16 秒b)第 0.3 17 秒图5瞬态流场不同时刻的压力云图由图5可知：瞬态流场计算稳定后，叶片正压区域出现负压涡，随着扇叶旋转，负压涡向叶尖处移动，形成叶尖回流，在第0.3 19 秒,叶片正压面形成下一个负压涡，周而复始，影响叶片压力脉动。风扇叶尖位置区域如图6 所示。放大风扇叶尖位置区域，不同时刻的速度量云图如图7 所示。由图7 可知：随着时间推移，叶片周而复始旋转，叶尖处速度涡流回流现象明显。护风罩风扇叶散热器张晓辉，等：风扇宽频涡流气动噪声分析及降噪b)瞬态流场图4发动机舱稳态流场、瞬态流场c)第0.3 18 秒63压力/Pa30018060-60-180300d)第0.3 19 秒a)第0.3 16 秒图6 风扇叶尖位置区域图7 不同时刻风扇叶尖位置区域的速度矢量云图1.4气动噪声仿真假设在低马赫数下,不考虑双向流体与双向声学的相互作用,且接收者不在声源区域内，由Lighthill声学类比线性声学相关公式,可将近场的变量（如压力、速度、密度)转化为对应的声压级 7 。由于不同类型的流场数据均可转换为等效声源，从CFD流场中提取相应的气动声源，采用边界元技术计算辐射噪声场,基于声比拟理论进行流体声学建模，预测气动噪声。由于气体内部的脉动质量源（单极子噪声源）、作用力的空间梯度（偶极子噪声源）和应力张量（四极子噪声源)的变化，气流流过固体表面引起气流压力扰动,产生气动噪声 s-9。根据Curle 理论,边界压力脉动转化为偶极子声源，在低马赫数下，偶极子声源是最主要的辐射声源 10 ；根据FW-H理论，扇声源叶片负载脉动转化为旋转偶极子声源，可准确计算旋转机械的BPF频谱 ；根据Lighthill 理论，流场压力b)第 0.3 17 秒c)第0.3 18 秒d)第0.3 19 秒64脉动转化为四极子声源，为结构边界不存在时的主要声源（如自由射流）12 。基于声比拟理论，将STAR-CCM+软件仿真分析瞬态流场压力以cgns文件导人LMSvirtuallab，作为风扇激励源，进行气动噪声仿真，扇声源分区合成的风扇叶片脉动压力时域曲线（记为曲线1），与LMStestlab测试数据导人LMSvirtuallab处理后的风扇叶片脉动压力时域曲线（记为曲线2）对比,2 种风扇叶片脉动压力时域曲线如图8 所示。如图8 可知，曲线1、2 整体变化趋势一致，可将仿真曲线作为噪声源进行声学预测。-280-300-320-340-360-3800内燃机与动力装置10.29.89.49.08.60.10.2时间/sa)曲线1图8 不同形式的风扇叶片脉动压力时域变化曲线2023年7 月第40 卷0.300.10.2时间/sb)曲线20.32整车测试验证按照文献 13 的测试要求进行整车10 m场静置工况声压级（以A计权)测试,采用西门子Scadas噪声振动分析仪及美国PCB公司的3 7 8 B02麦克风，测点分布在距离整车10 m的半球面，风扇转速为19 57 r/min,叶片数为10,整车噪声测试与LMStestlab软件仿真分析噪声频谱对比结果如图9 所示。由图9 可知：整车噪声测试与仿真噪声曲线吻合度较好；整车噪声测试与仿真分析噪声声压级均方根（以A计权）分别为7 7.52、7 7.0 8 dB，二者相差0.44dB，相对误差为0.56%；根据风扇转速及叶片数计算可得风扇的离散阶次噪声一阶、二阶、三阶频率分别为3 2 6、6 52、9 7 8 Hz，仿真结果与测试结果吻合；整车测试噪声频率2 2 0 Hz低于风扇一阶频率，该频率噪声主要由风扇叶尖回流时宽频涡流噪声产生。3方案改进及验证将风扇护风罩与风扇叶尖间隙由15mm调整为5mm,改进后风扇护风罩与风扇叶尖间隙示意如图10 所示,其余参数均保持不变；由于风扇涡流噪声小于1kHz,设置频带上限为1kHz,以便全面观察涡流噪声改进效果。改进前、后仿真分析噪声频谱及整车测试噪声频谱如图11所示。由图11可知：改进后，仿真噪声声压级均方根为6 7.9 7 dB,较改进前降低了约9.0 0 dB;改进后整车测试噪声声压级均方根为7 3.45dB,较改70/350-350图9 整车噪声测试与仿真分析噪声频谱图对比5 mm散热器图10 改进后风扇护风罩与风扇叶尖间隙一测试一仿真1 2002.400频率/Hz护风罩3 600第4期进前降低了约4.0 0 dB。70P350张晓辉，等：风扇宽频涡流气动噪声分析及降噪一原方案一改进方案wwlm41.2365一原方案一改进方案7035-350改进前、后噪声频谱分析如图12 所示。由图12 可知，改进前、后2 2 0、3 2 6 Hz红色亮带明显减弱，噪声声压级显著下降。声压级均方根/dB65.0065.0061.8261.8258.6458.6455.4555.4552:2752.2749.0949.0945.9145.9142:7342.7339.5539.5536.3636.3633.1833.1830.0030.0002504结束语一200400频率/Hza)整车噪声测试结果图11改进前、后噪声仿真分析及整车噪声测试频谱图声压级均方根/dB500750频率/Hza)改进前16008001 000图12 改进前、后噪声频谱分析100000250b)改进后200500频率/Hz400频率/Hzb)噪声仿真结果750100060080010001)通过流体仿真捕捉风扇叶片时域压力脉动产生及变化过程，瞬态计算稳定后，该叶片正压区域出现负压涡，随着扇叶的旋转,负压涡向叶尖处移动,形成叶尖回流，影响叶片压力脉动；随着时间推移，该叶片旋转至叶尖与护风罩的间隙，叶尖处可见回流的速度涡流。2)基于声比拟理论,将STAR-CCM+软件仿真分析瞬态流场压力结果导人LMSvirtual lab,计算得到的风扇叶片时域脉动压力曲线，与LMStestlab测试数据导人LMSvirtual lab处理后的的风扇叶片时域脉动压力曲线对比，2 种曲线比较吻合，变化趋势一致。3)仿真分析噪声与整车噪声测试结果的变化趋势基本一致,且整车测试时,该风扇叶尖回流产生的宽频涡流噪声较明显。4)将风扇护风罩与风扇叶尖间隙由15mm调整为5mm,仿真计算声压级均方根降低了约9.0 0 dB，整车噪声测试声压级均方根降低了约4.0 0 dB，有效降低了该风扇宽频涡流噪声。参考文献：1王良锋,杨野，乔渭阳，等.转子叶尖间隙对风扇气动特性及单音噪声特性影响的数值计算 J.空气动力学学报，2020,38(6):1047-1055.2刘志恩，胡元浩，沈健，等.车用空压机结构辐射噪声数值分析及优化 J.汽车实用技术,2 0 2 0（12：17 4-18 0.3谭艳辉，毕道坤，王涛.轮式装载机机外发射噪声降噪方法和应用 J.建筑机械,2 0 15（10)：57-6 1.664李开慧.轴流风扇流场及气动噪声的实验研究 D.杭州：中国计量大学,2 0 17.5周翔.基于CFD/CAA的轴流风扇噪声分析与降噪设计 D.成都：电子科技大学,2 0 16.6张立.小型轴流风扇气动噪声特性及性能优化研究 D.杭州：浙江理工大学,2 0 14.7周帮伦.轴流风机不稳定流动及其诱导噪声机理研究 D.镇江：江苏大学,2 0 17.8王妮妮，王琳，安春国，等.轴流风机内三维流场及进出口气动噪声的数值模拟 J.中国环保产业，2 0 19（10)：127-131.9孙扬智，肖世德，徐鑫凯，等.轴流风机旋转叶片的气动噪声分析 J.噪声与振动控制,2 0 16,3 6（4：12 4-12 8.10李伟，李国祥，桑梧海，等.涡轮增压器双流道涡轮壳喉舌结构对静压和BPF噪声的影响 J.内燃机与动力装置，2022,39(5):37-42.11亢佳贺，刘晓日，王儒枭，等.高速列车气动噪声的实验模型研究 J.内燃机与动力装置,2 0 19,3 6(4)：2 5-3 0.12 曹灿.轻型载货汽车车外噪声分析与控制 J.汽车技术,2 0 15(1)：2 7-3 0.13 全国声学标准化技术委员会.声学声压法测定噪声源声功率级和声能量级反射面上方近似自由场的工程法：GB/T37672016S.北京：中国标准出版社,2 0 16.Analysis of fan wide-band eddy aerodynamic noiseZHANG Xiaohuil-2,DING Baoan-2,WANG Jingxin-61,2ZHANG Weilong2,LI Chaol*-2,ZHAO Xuefeil-.21.State Key Laboratory of Engine Reliability,Weifang 261061,China;2.Weichai Power Co.,Ltd.,Weifang 261061,ChinaAbstract:In order to reduce the wide-frequency vortex aerodynamic noise of fan,based on the aerodynamicnoise simulation flow and sound analogy theory,a three-dimensional model is established by using the fluidsimulation software STAR-CCM+,and the time-domain fluctuating pressure of fan blade is calculated,comparedwith the time-domain fluctuating pressure synthesized by LMS virtual lab,the fan noise is simulated and verifiedby vehicle noise test.The clearance between the blade tip and the air shield of the fan is adjusted from 15 mmto 5 mm,and the results of the simulation calculation and the vehicle noise test before and after optimization arecompared.The results show that the time-domain fluctuating pressure curves calculated by STAR-CCM+software are in good agreement with those by LMS virtual lab compared with the results of LMS test lab software,the relative error of sound pressure level is 0.56%,which is consistent with the test results of vehicle noise,the root mean square of noise pressure level of simulation calculation and vehicle test noise is reduced by about9.00 dB and 4.00 dB respectively,and the noise is reduced effectively.Keywords:fan;aerodynamic noise;pressure pulsation;narrowband BPF noise;broadband eddy current noise内燃机与动力装置and its noise reduction2023年7 月第40 卷（责任编辑：臧发业）