汽车用风扇气动噪声的CFD计算
1_ANSYS CFD在汽车外空气动力学及气动噪声领域的应用和案例分享
ANSYS CFD解决方案
高精度的湍流模型 自动化、大规模、高质量的网格工具 Model Drag (SCx) DES Exp. 0.70 DDES 0.71 DDES DES 0.75 LES 0.69
接近线性的并行加速比 支持超过一万核的并行
ANSYS CFD解决方案
不使用网格变形的优化过程
基于RBF Morph的优化案例
• 计算网格
• 使用FLUENT Meshing生成约5000万混合网格，共计10层边界层网格
• 计算条件
• 速度：100 kph • 压力基耦合求解器，对流项使用二阶迎风差分格式 • Realizable K-epsilon湍流模型，非平衡壁面函数
基于RBF Morph的优化案例
基于伴随求解器和网格变形的优化案例
优化目标：阻力降低
基于伴随求解器和网格变形的优化案例
基于伴随求解器和网格变形的优化案例
基于RBF Morph的优化案例
• Volvo公司使用ANSYS Fluent、HPC、RBF Morph和DesignXplorer， 实现了对XC60车型的空气动力学性能优化仿真。
• 计算代价较小 • • 计算域只覆盖噪声源的区域 适用于远场计算
• FW-H方法的缺点
• • • 无法考虑声音对流动的反作用 无法考虑反射 从源到接收位置之间需要有直的视线（无遮挡）
ANSYS FLUENT中的气动噪声模拟方法
• Broadband Noise Source Models • 在ANSYS Fluent的宽频噪声模型中，湍流参数通过RANS方程求出，再用一定的半经 验修正模型（如Proudman方程模型、 边界层噪声源模型、 线性Euler方程源项模型、 Lilley方程源项模型）计算表面单元或体积单元的噪声功率。 • Broadband模型是CAA和“声比拟”方法的很好补充，可以采用宽频噪声模型提取有
风力涡轮机叶片气动噪声的数值模拟
风力涡轮机叶片气动噪声的数值模拟一、风力涡轮机叶片气动噪声的数值模拟概述风力涡轮机作为可再生能源领域的重要技术之一，其效率和性能直接影响到能源的转换效率和经济效益。
在风力涡轮机的运行过程中，叶片的气动噪声是一个不可忽视的问题，它不仅影响周围环境的声学舒适度，还可能对机器的长期运行造成不利影响。
因此，对风力涡轮机叶片气动噪声进行数值模拟，以预测和降低噪声，具有重要的实际意义。
1.1 风力涡轮机叶片气动噪声的数值模拟的重要性数值模拟作为一种高效、低成本的研究手段，可以对风力涡轮机叶片在不同工况下的气动噪声进行预测和分析。
通过数值模拟，可以深入理解噪声产生的机理，为叶片设计优化提供理论依据。
1.2 风力涡轮机叶片气动噪声的数值模拟的研究现状目前，气动噪声的数值模拟主要采用计算流体动力学（CFD）和声学模拟相结合的方法。
CFD用于模拟叶片周围的流场，而声学模拟则用于预测由此产生的噪声。
随着计算机技术的发展，数值模拟的精度和效率不断提高，已经成为风力涡轮机叶片气动噪声研究的重要工具。
二、风力涡轮机叶片气动噪声数值模拟的理论基础2.1 气动噪声产生的机理气动噪声是由流体与固体表面相互作用产生的，其主要来源包括叶片表面的压力波动、尾迹涡流的脱落以及叶片与周围空气的湍流相互作用等。
这些因素共同作用，导致声波的辐射。
2.2 数值模拟方法数值模拟通常采用有限体积法（FVM）或有限元法（FEM）来离散控制方程，通过求解Navier-Stokes方程来模拟流场。
对于声学模拟，可以采用声学类比法（ANA）或直接求解声波方程的方法。
2.3 边界条件和模拟参数在进行数值模拟时，需要合理设置边界条件，包括入口和出口的流动条件、叶片表面的无滑移条件以及远场的辐射条件等。
此外，模拟参数的选择，如时间步长、网格密度等，也对模拟结果的准确性有重要影响。
三、风力涡轮机叶片气动噪声数值模拟的关键技术3.1 网格生成技术网格生成是数值模拟的第一步，它直接影响到模拟的精度和效率。
基于Fluent软件的发动机冷却风扇气动性能优化
柴油机设计与制造Design and Manufacture of Diesel Engine 2020 年第4 期第26 卷（总第173 期）doi：10. 3969/j. issn. 1671-0614. 2020. 04. 006基于Fluent软件的发动机冷却风扇气动性能优化栗明，刘伦伦，高建红，曾超，张鲁滨(内燃机可靠性国家重点实验室/潍柴动力股份有限公司，潍坊261061)摘要采用C型风管式台架对某发动机冷却风扇气动性能进行试验，得到了该风扇的流量、静压及静压效率的试验数据；利用Fluent软件，对风扇流场进行仿真，得到相应的仿真结果。
将仿真结果与测试数据进行对比，结果显示两者差异基本在10%以内，满足工程分析要求：根 据风扇内部流场及叶片静压分布的仿真结果，提出了风扇结构优化方案优化后的风扇静压和静压效率均有明显提升。
关键词：发动机冷却风扇Fluent软件流场Optimization of Engine Cooling Fan Air Dynamic PerformanceBased on Fluent SoftwareLI Ming,LIU Lunlun,GAO Jianhong,ZENG Chao,ZHANG Lubin(State Key Laboratory of Engine Reliability/Weichai Power Co.,Ltd.,Weifang261061 ,China)Abstract：The air dynamic performance of mass flow rate,static pressure and static efficiency of an engine fan were obtained by testing with the C-type air duct system and by the simulation of fan flow field w ith the Fluent software.The difference between the simulation and test results was less than10% , which meets the engineering accuracy requirements.According to the simulation results of inner flows and pressure distributions on the fan blades,the fan structural 〇])tim ization was proposed,and the results showed that the optimized fan had higher static pressure and static efficiency.Key words：engine,cooling fan,Fluent software,flow field0 引言风扇是水冷式内燃机的重要组成部件，其消耗 的功率占发动机总输出功率的5%〜8%m。
发动机冷却风扇周向弯曲叶片噪声优化设计
AUTO PARTS | 汽车零部件发动机冷却风扇周向弯曲叶片噪声优化设计徐蕴婕 贺航 肖凯泛亚汽车技术中心有限公司 上海市 201201摘 要： 介绍了汽车发动机冷却风扇性能CFD仿真方法，对已有的冷却风扇进行数值模拟，并对比实验数据验证仿真可靠性。
结合风扇结构参数等因素建立三种不同型式的风扇叶片，讨论了叶片对风扇性能的影响，在不同的工况下对叶轮进行选型，为整车冷却风扇的优化匹配提供了依据。
关键词：冷却风扇 CFD 改型设计1 前言随着汽车工业的迅速发展，环保法律法规及汽车油耗标准的日益严格,消费者对于汽车动力性能和舒适性的追求也在不断提高，冷却风扇作为冷却系统主要部件，其散热性能和噪声大小对整车的热管理及NVH指标有着重要影响。
因此，对风扇气动性能以及噪声特性进行研究，并对现有风扇的设计优化具有重要的工程价值。
自20世纪40年代以来，扭曲叶片开始应用到轴流风机领域，扭曲叶片设计大大提高了轴流风机的气动性能。
60年代初，哈尔滨工业大学的王仲奇教授和前苏联学者费里鲍夫提出了应用于航空领域的弯扭叶片联合气动成型方法，弯掠风叶可控制径向压力分布和二次流分布，不仅大幅度提高风机的气动-声学性能，还能显著扩大稳定轴流风机工作区间，弯掠叶片设计成功的运用到汽轮机和航空发动机上。
MG.Beiler[1]采用数值方法研究了弯扭叶片的内部流场，并通过实验测试研究表明，前弯叶片可以改善流场分布，显著提高风机的气动性能和声学性能。
Fukano[2]对前弯和后弯叶片进行了实验研究，证实弯掠叶片可有效改善叶片尾流情况。
近年来，国内外学者对于轴流风机弯掠技术进行了大量的研究分析，上海交通大学钟芳源[3]教授将弯掠叶片设计应用于低压轴流风机，进行了数值模拟和试验测试的研究工作，并将弯掠叶片的小型风扇应用到家用电器中。
王军，于文文[4]等人，利用通过数值模拟和变型设计方法，筛选出高性能的弯掠叶片，并应用到变压器冷却领域中。
李杨[5-6]等针对通用型轴流风扇叶片，采用CFD计算风扇流场，利用人工神经网络BP算法和遗传算法相结合，对叶片前弯角进行优化。
1_ANSYS CFD在汽车外空气动力学及气动噪声领域的应用和案例分享
基于宽频噪声模型的整车气动噪声分析案例
计算网格
激活宽频噪声模型
基于宽频噪声模型的整车气动噪声分析案例
偶极子噪声源
四极子噪声源对总噪声源的影响
谢谢！
地址：北京市朝阳区八里庄东里1号莱锦TOWN园区Cn08座
邮编：100025
电话：+86-10-52167777 传真：+86-10-52167799 电邮：info@
Boat tail angle Long roof drop angle Green House Angle Front Spoiler Angle
Min
- 1.85 - 2.30 - 0.70
Baseline
0.0 0.0 0.0 0.0
Max
+ 1.85 + 1.50 + 0.70 + 3.80
关键问题
1. 燃油消耗率 2. 冷却气流和阻力的权衡
汽车高速运行时， 克服气动阻力所需 的燃油消耗占主导
冷却气流和阻力的权衡
关键问题
3. 泥、水附着 4. 车辆涉水
如何最小化附着？
如何防止水飞溅到风挡或 侧窗玻璃上？
CFD的优势
1. 成本，速度
CFD仿真：低成本，速度快
风洞试验：高成本，速度慢
• • 瞬态计算需要使用很小的时间步长，计算很长的物理时间 非常细密的网格，网格数量十分庞大
•
•
多用于近场噪声计算，远场噪声计算需要较大的计算域，计算量陡增
由于声压级远小于流体的压力，需要使用高精度的离散格式
ANSYS FLUENT中的气动噪声模拟方法
• Segregated Source-Propagation Methods (SSPM) • 对于中场和远场噪声模拟，ANSYS Fluent采用基于Lighthill的“噪声比拟”方法，作 为CAA方法的补充是ANSYS Fluent中计算代价较小的方法之一。“噪声比拟”方法不 同于CAA方法，它把波动方程和流动方程解耦，在近场流动解析采用适当的控制方程 比如非定常雷诺平均、DES分离涡或LES大涡模拟等方法，然后再把求解结果作为噪声
CFD++,CAA++气动噪声解决方案
CFD++/CAA++地面交通工具气动噪声解决方案张杰刘鹏飞郑敏杰北京银景科技有限公司2009年11月目录一、地面交通工具气动分析软件需求 (1)二、北京银景科技地面交通工具气动噪声分析解决方案 (1)三、CFD++/CAA++软件介绍 (1)四、CFD++/CAA++地面交通工具气动噪声分析典型应用 (5)五、总结 (7)一、地面交通工具气动噪声分析软件需求随着地面交通工具的速度越来越快，由于交通工具的运动产生的气动噪声也越来越大。
这种情况下，无论从交通工具的乘坐舒适性还是其对周围居民和建筑物的影响角度来讲，气动噪声的控制问题都变得十分关键。
气动噪声的实验分析作为气动噪声分析最的直接手段，一直以来被广泛采用。
但是由于其对实验设备要求较高，从而运行成本较高，其大规模应用受到一定的限制。
同时，通过实验一般只能得到整体噪声水平的一个评估，对噪声的机理及相关的减噪设计，难以给出确切的结果和设计建议。
通过计算流体力学（CFD）的方法对噪声进行分析，由于其从流动和流场入手，从而可以方便的分析噪声源，对噪声控制和减噪设计给出有意义的分析结果。
但是，目前气动噪声的数值模拟也遇到了一定的困难。
普遍认为，LES方法是求解决气动噪声比较好的办法。
但其只适用于噪声源较强，且观测点离噪声源较近的情况。
如果噪声源较弱，或者离观测点离声源较远的情况，LES方法本身的数值耗散仍然可以将真实的噪声信号掩盖，不能给出很好的计算结果。
另外，LES需要较精细的网格和较大的计算量，只适合于做理论分析，在现阶段仍然难以应用于工程实践。
总之，现阶段地面交通工具需要进行气动噪声分析，同时要求气动噪声的分析手段具有精度较高，计算量不太大，网格质量要求不高，易于使用的特点。
这些都给气动噪声模拟软件提出了很高的要求。
二、北京银景科技地面交通工具气动噪声分析解决方案根据目前地面交通工具气动噪声分析的需求及其面临的问题，北京银景科技有限公司引进了美国Metacomptech公司的气动/气动噪声分析软件CFD++/CAA++作为地面交通工具气动噪声设计分析软件作为解决方案。
汽车空调出风管道气动噪声分析与控制
(3)
式中 :δij 为克罗内克系数 ;μt 为亚格子湍流粘性系 数 ; S ij 是求解尺度下的应变率张量分量. 11 2 FW2H方程
1969 年 Williams 等利用 Light hill 的声学近似 理论推 导 出 了 适 合 流 体 中 运 动 固 体 边 界 条 件 的
FW2H 方程[9 ] :
1 52 a20 5 t2
-
52 5 x2i
p’
=
5
52 xi5
x
j
{
Tij
H(f)}
-
5 5x
i
[
ni
Pδ(
f
)
f
]
+
5 5t
[ρvnδ(
f
)
f ].
(4)
式中 : p’为声压 ; ni 为表面法向量 ; vn 为法向速度 ; a0
为声速 ; Tij 为 Light hill 张量. 方程右侧 3 项分别代
关键词 :气动噪声 ;计算流体力学 ;大涡模拟 ; FW H 声学模型 ;直接边界元 中图分类号 : U461. 1 文献标识码 :A
Numerical Analysis and Cont rol of t he Aerodynamic Noise of Auto motive HVAC Duct
26
湖南大学学报 (自然科学版)
2010 年
图 1 分析流程图 Fig. 1 The analysis flowchart
有采样频率的一半. 气动噪声是宽频带噪声且能量主 要集中在中低频 ,因此本次计算的最高频率设定为 1 000 Hz ,对应的时间步长为0. 000 5 s. 因此总步数 为2 000步 ,每时间步 20 次迭代. 3. 1. 3 仿真结果分析
发动机冷却风扇气动性能的计算方法
211 计算方法选择 采用 F luent612软件对风扇气动性能进行仿真。
该软件提供了两种风扇性能计算的方法: 多重参考 系法 ( MRF ) 和滑动网格法 ( Sliding M esh) 。滑动网 格法比多重参考系法更为准确, 但它属于非稳态求 解, 占用大量的计算资源和计算时间。MRF 方法是 一种稳态算法, 在这种算法中, 风扇及其附近区域定 义在旋转参考系下, 其它区域则定义在静止参考系 下, 风扇相对于旋转参考系是静止的。MRF 方法对 计算资源占用较少, 精度也能满足一般工程要求, 因 此采用 MRF方法对风扇性能进行预测。 212 建立网格模型
510641;
[ Abstract] Ca lculat ion, m odeling and so lut ion techn iques fo r aerodynam ic perform ances of eng ine coo ling fan are presented. T he re lations betw een static pressure, pow er consumpt ion, efficiency and flow rate of a fan are calcu la ted by using CFD so ftw are F luent and validated w ith test resu lts. T hrough investigation into the inner pressure and ve loc ity fie lds o f the fan, the causes for the low effic iency o f the fan are ana lyzed w ith im provem ent schem es proposed. T he results of calculat ion show that t ip clearance has great influence on the perform ances o f a fan and too large a t ip c learance w ill lead to low eff ic iency. So t ip c learance should be reduced o r a ring shou ld be installed around fan tip to im prove the perform ances of the fan.
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车用风扇气动噪声的CFD计算
范士杰
(一汽技术中心 长春，130011）)
摘 要：国家标准(GB1495-2002)对降低车外噪声提出了明确的要求，而车用冷却风扇是汽车的主要噪声源之一，对车用风扇的气动噪声进行预测分析，对于降低汽车噪声具有重要意义。
由于噪声计算的复杂性，国内用CFD方法预测气动噪声尚处于开始阶段。
一汽技术中心使用Fluent软件对自由空间中风扇的气动噪声进行了预测分析，采用了如下技术：用大涡模拟计算非定常流场；滑移网格；声学计算采用FW-H模型；并行计算。
与试验结果的对比表明，在观测点处计算预测的声压级与试验结果吻合较好，为分析研究风扇等旋转机械的气动噪声提供了有效的手段。
关键词：噪声 大涡模拟 风扇 CFD
0 引 言
空气动力噪声问题广泛存在于工程界（车辆、家电、机电设备等），预测并降低各种设备中风扇/风机等旋转机械的气动噪声具有普遍的意义。
国家标准(GB1495-2002)对车外噪声提出了明确的限制（2005年以后实行更严格的标准），实测结果指出[1]，冷却风扇是汽车的主要噪声源之一。
由于噪声计算的复杂性，国内对气动噪声的计算分析多以经验公式和简化的理论模型为主，用CFD分析的方法对气动噪声进行数值预测尚处于开始阶段。
用CFD方法计算声场之前，首先要计算非定常的三维流场，得到准确的压力波动等流动变量，为此需采用高级湍流模式（如LES），使计算量大增。
由于噪声能量在流场总能量中只占很小的比例，故对计算的误差要求较高，提高了正确收敛的难度。
Fluent6.2版增加了对旋转机械声学计算的支持。
作者使用Fluent6.2在IBM并行机上对车用冷却风扇的气动噪声进行了CFD计算分析，用大涡模拟计算非定常流场，用FW-H模型计算声场，得到了在若干观测点处的噪声频谱，与消声室中实际测试所得频谱吻合较好，所使用的方法亦适用于各种旋转机械的气动噪声和外流场噪声的预估及设计改进。
1计算模型
以实际使用的冷却风扇为计算对象，几何模型和计算域如图1所示，采用四面体无结构网格，网格数约为180万，在风扇区与相邻区域之间采用滑移网格(moving mesh)。
风扇转速为1000转/分。
2个观测点距离风扇中心均为1米，位置如图2所示。
_____________________________________
作者简介：范士杰，男，高级工程师，硕士，长期从事汽车空气动力学及CFD分析研究。
采用三维不可压湍流计算非定常流场，湍流模型采用大涡模拟，非耦合隐式解法，多
CPU 并行计算。
图3为计算中力矩收敛情况，后期反映出风扇对转轴力矩的周期性变化。
流场计算收敛后激活声学模块，采用FW-H 模型计算声场，在Acoustics Model/Sources 中定义风扇表面为声源，在Acoustics
Model/Receivers 中给定上述2个观测点。
计算完成后对2个观测点的数据进行FFT 变换，绘出噪声频谱（声压级），及其它有关图形。
2 计算/试验结果
根据现有风扇噪声理论[2]，风扇的气动噪声由
湍流噪声和旋转噪声组成，其中湍流噪声为宽带噪
声，旋转噪声由叶片旋转引起的压力波动产生，其
基频为：
高次谐波为基频的倍数。
对于本文算例，z=7，n=1000，基频为f 1=116.7 hz 。
风扇噪声频谱应为湍 流噪声和旋转噪声二者合成。
CFD 计算在2个观测点处得到的噪声（声压级）频谱和消声室中实际测试相应的噪声（声压级）频谱分别如图4、图5所示，二者基本吻合，均在基频处取得最大值，在观测点1二者最大值相差约6dB，在观测点2二者最大值相差约5dB（计算值均较小）。
图1 几何模型和计算域 图2 观测点位置 图4 观测点1的计算频谱（左）和试验频谱
对转速为3000转/分的情形也进行了CFD 分析，结果与1000转/分类似，略。
图6、图7分别为风扇表面的速度分布和压力分布。
计算结果和试验结果均表明，在转速为1000转/分时，基频及高次谐波有比较明显的影响，基频处的声压级最大。
转速增加到3000转/分时，噪声增大，基频及高次谐波的影响相对下降，但基频处的声压级仍为最大，在1500－2000hz 处出现第二峰值。
CFD 计算的最大声压级比试验值小，应当注意到试验工况与计算不完全相同，CFD 计算域模拟自由空间，而试验中风扇位于地面以上一米处，且有电机、支架等。
考虑到地面声音反射以及电机、支架等的干扰，试验的声压级略大应为合理。
3 结束语
国内对旋转机械空气动力噪声的计算分析多以经验公式和简化的理论模型为主，或以流场分析的结果间接分析气动噪声。
本文用
CFD 方法对某车用冷却风扇的气动噪声直接进行了数值预测，采用大涡模
拟计算三维非定常流场（通常需要并行计算的支持），提高流场计算的可信度，用FW-H 模型计算声场，
图
5 观测点
2的计算频谱（左）和试验频谱
得到若干观测点处的噪声频谱，与消声室中实际测试所得频谱吻合较好， 揭示了利用CFD分析进行空气动力噪声分析的可行性，对于工程中改进风扇等旋转机械的设计，降低气动噪声提供了有力的手段，对于提升产品质量与开发能力具有实际应用价值。
参考文献：
[1] 孙世东等，降低汽车加速行驶车外噪声的试验研究，客车技术，2005（1）：42－44
[2] 钱人一，汽车发动机噪声控制，上海，同济大学出版社，1997. 172
CFD Analysis of Vehicle Fan Noise
Fan Shijie
China FAW R&D Center（Changchun,130011）
Abstract：The level of automobile noise was definitely restricted by the national standard. One of the main noise sources is due to the cooling fan in vehicle. It is very meaningful to predict the noise of cooling fan and reduce the overall noise level of vehicle. Because of the complexity of noise problem, the noise simulation by using CFD methods is just beginning in China. The China FAW R&D Center has successfully predicted the noise of fan in free space by using Fluent software. Some key functions of Fluent software were used in this simulation: LES model for solving unsteady flow, moving mesh for fan’s rotating, FW-H model for acoustic modeling and high performance of parallel processing, etc. Compared with the experiment results, the SPL at receivers is predicted rightly. The capability of CFD analysis to simulate noise of turbo-machinery is well qualified.
Key words： LES，noise，fan，CFD。