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汽车空调噪声
2020-02-03 20:44:09· 来源：独孤求静
贯流风机在行业里面也称为多叶离心风机，具有结构紧凑加工简单等特点。不论是汽车空调还是建筑暖通通风设备都大量使用贯流风机。图1 汽车HVAC结构虽然贯流风机叶
贯流风机在行业里面也称为多叶离心风机，具有结构紧凑加工简单等特点。不论是汽车空调还是建筑暖通通风设备都大量使用贯流风机。
图1 汽车HVAC结构
虽然贯流风机叶片非常多，但是叶片弦长很短，整个风机属于中低稠度叶片类型。中低稠度叶片在运行中往往不能有效控制流体流动，容易发生流动分离等现象。同时旋转叶片进出口距离小，出口高速流体容易绕过上轮毂面回流到进口，形成高强度复杂的湍流现象。贯流风机内部复杂的流动特性使得这类风机噪声频谱千变万化，很难借鉴以往工程经验进行声源分析。
图2 贯流风机叶片结构
少林拳：模型建立
Frank等于2011与Denso汽车空调贯流风机进行声学计算。根据汽车空调不同工作模式对应风量分别为 270CMH, 471CMH 以及 623CMH. 风机叶片直径 ~300mm , 声学测试中声学麦克风分布如图3所示。测试结果表明声压级主要分布在200~2000Hz。
图3 风机工况和麦克风测点
在PowerFlow软件内建立数值消声室，在壁面设定声学阻尼模拟消声室墙壁吸声特性，给定风机转速，并延长出口加载风机工作风量。
图4 PowerFlow数值消声室示意图
空间数值离散如图5所示，在风机附近设置加密区，其中叶片附近最小网格尺寸为0.6mm，蜗壳壁面网格尺寸为2.4mm,消声室网格最大尺寸为19.2mm。
图5 空间离散网格尺寸分布
寒冰神掌：流场结果
风机压差和流量分布对比如图6所示，三个不同流量计算结果显示当前仿真结果与实测压差趋势一致，但是仿真中压差均偏低50Pa左右。可能的原因是模型差异以及数值空间离散精度不足。
图6 风机压差和风力分布对比
瞬态压力和速度分布对比结果显示蜗壳出口压力压力区域稳定，速度分布表明蜗舌附近流场脉动最明显，主要是因为旋转叶片与蜗舌周期性动静干涉作用。
图7 瞬态压力和速度分布对比
蜗舌处平均流场速度分布如图8所示，整个叶片流道内发生明显的流动分离并在叶片出口附近形成明显的速度差，并在下游逐渐发展为漩涡结构。
图8 蜗舌处平均流场速度分布
风机内涡系结构分布显示高压差（OC3）工况中进口回流明显，这股回流会增加流动损失降低风机效率。进口回流湍流强度高会显著增加当地脉动强度，往往形成频谱中的驼峰现象。
图9 涡系结构分布
狮吼功：声学结果
基于LBM求解器的PowerFLOW数值耗散非常低，可以直接求解声波以及声传播过程。下图瞬态压力脉动显示风机声源向空间辐射过程，声波在空间传播过程中声压强度逐渐降低。
图10 声源空间辐射过程
麦克风A点1/3倍频程频谱对比如图11左图所示，仿真和测试结果在2500Hz以内趋势和各频段声压级大小均一致。超过2500Hz后仿真预测低于实测值，这是由于高频声波波长更短，数值计算中需要更小空间网格尺度来控制数值耗散对声波求解的影响。测试工况OC1四点麦克风总声压级对比如右图所示，其中轴向A,B,D三个麦克风声压级误差小于0.5dB, 斜向45°麦克风C仿真结果低于测试值~2dB,很可能的原因也是当地网格精度不足。
图11 声压级频谱和总声压级对比
乾坤大挪移：仿真模型调试
针对以上仿真结果风机风量和压差相互关系存在的疑问，改变空间离散尺寸设置。具体为将叶片最小网格尺寸下降为0.4mm,并对风机进口附近进行局部加密。网格加密对比如图12,13所示。
图12 风机水平截面网格尺寸对比
图13 风机轴向截面网格尺寸对比
图14所示为风机压力和风量分布对比，结果显示当前网格加密后，仿真预测得到的风机压差与实测误差小于5%，因此网格加密可以改进贯流风机压差预测精度。
图14 风机压差和风力分布对比
风机1/3倍频程分布和总声压级对比结果如图所示。频谱分布结果显示当前模型能够捕捉2000Hz以内的噪声，超过2000Hz仿真预测结果会明显低于实验值。总声压级对比结果显示四个不同麦克风仿真结果均与实测值误差低于0.5dB。
图15 声压级频谱和总声压级对比
玄冥神掌：优化方案验证
为了改善叶片与蜗舌之间动静干涉作用，修改蜗壳结构并评估噪声水平。下图中绿色实线为优化蜗壳型线。
图16 蜗舌结构对比
蜗舌附近500~1500Hz瞬态脉动压力分布对比如下图所示。结果显示蜗舌结构会影响附近叶片流道内压力脉动，改变蜗舌形状和位置可以显著降低叶片内的压力脉动，从而降低噪声源能量。
图17 蜗舌处瞬态脉动压力分布
两种蜗壳测试和仿真结果对比如下图所示，测试结果对比显示优化蜗舌结构可以降低400~2000Hz声压级大小，仿真结果对比显示0~2000Hz均有明显的降噪作用。总声压级对比显示原始模型仿真和实验误差较小，但是优化模型仿真结果低于实测结果~4dB,不同模型总声压级趋势实测和仿真一致。
图18 声压级频谱和总声压级对比
九阳神功:噪声源识别--独家
贯流风机叶片数量多，流场复杂使得噪声源激励往往是多种激励混合。为此基于验证的仿真结果来逆向定位噪声源就具有非常明显的工程价值。下图所示通过PowerFlow精确预测某一个贯流风机离散噪声频谱特性，其中750~1050Hz是该风机声能量集中频段。
图19 声压级频谱对比
基于涡声理论以及传递函数方法，PowerFlow噪声源识别技术可以轻易的定位频谱中750~1050Hz频段噪声源位置，从而辅助工程实践中制定有效降噪方案。如图20所示当前750~1050Hz噪声主要来自风机蜗壳扩张段，进口回流以及电机散热腔体等。
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