大涡模拟在轴流风扇气动噪声仿真中的应用

第1期

2013年1月

机械设计与制造

MachineryDesign&Manufacture

63

大涡模拟在轴流风扇气动噪声仿真中的应用

伍文华,杜平安,陈燕,李茂福

(电子科技大学机械电子工程学院,四川成都610000)

要:随着高集成、大功率电子设备的应用越来越广泛,随之而来的气动噪声问题越来越受到人们的重视,对其主要气

动噪声来源—风扇的研究也越来越深入。伴随着仿真计算方法以及计算机技术的发展,数值仿真已经成为气动噪声仿真、预测、降噪的新手段。在总结了前人在气动噪声仿真中的相关手段方法后、采用流体力学计算软件Fluent和LES大涡模型对轴流风扇气动噪声进行了数值模拟,分析了轴流风扇气动噪声产生机理,验证了仿真方法的正确性,结果表明LES湍流模型能够准确预测气动噪声,满足工程应用要求。关键词:大涡模拟;轴流风扇;气动噪声;数值仿真中图分类号:TH16;TU834.4+1

文献标识码:A

文章编号:1001-3997(2013)01-0063-03

TheApplicationofLesinAerodynamicNoiseSimulationforAxialFan

WUWen-hua,DuPing-an,ChenYan,LiMao-fu

(CollegeofMechatronicsEngineering,UniversityofElectronicScienceandTechnologyofChina,ShichuanChengdu610000,China)

Abstract:Withthewidelyuseofhighintegration,highpowerelectronicequipments,theaerodynamicnoiseproblemgetsmoreandmoreattentionofpeople,andthesourcesofmainaerodynamicnoise,thefan,getsmorein-depthresearch.Withthedevelopmentofsimulationcalculationmethodaswellascomputertechnology,numericalsimulationhasbecomethenewwaysofaerodynamicnoisesimulation,predictionandnoisereduction.Aftertheconclusionoftherelatedmethodsofaerodynamicnoisesimulation,axialflowfanaerodynamicnoisenumericalsimulationiscarriedoutusingthecomputationalfluiddynamicssoftwareFluentandLESlargeeddymodel,analyzingtheaxialflowfanaerodynamicnoisegenerationmechanism,verifingthecorrectnessofthemethod,andtheresultsshowthatLESturbulencemodelisanaccuratepredictionmodelforaerodynamicnoise,whichmeetstherequirementsofEngineeringapplication.KeyWords:LES;AxialFan;AerodynamicNoise;Simulation

1引言

轴流风扇的空气动力性噪声主要是由于气体的非稳定流动,气体与气体及气体与固体间相互作用产生的噪声。从噪声产生的机理来看,它主要由旋转噪声和紊流噪声组成[1]。旋转噪声是由于叶轮上均匀分布的叶片打击周围的气体介质,引起周围气体压力脉动而产生的噪声[2]。紊流噪声又称涡流噪声,它是由于叶片紊流附面层及其脱离引起气流压力脉动造成的噪声。过去气动噪声的研究主要源于经验模型、公式的积累。随着仿真计算方法以及计算机技术的发展,数值仿真已经成为气动噪声仿真、预测、降噪的新手段。气动噪声的仿真方法主要分为三种:CAA、SNGR和SSPM方法。

计算气动声学(CAA—ComputationalAeroAcoustics)对计算机的内存及计算速度要非常的高,不能解决工程实际问题。宽频声源模型(SNGR—StochasticNoiseGenerationandRadiation)通过计算速度较快的RANS稳态计算可以得到时均化的速度分量、压力、湍动能以及耗散率等。从现有的文献资料来看,利用宽频噪声

模型可以计算出通风机各部分气动噪声声功率的大小,得到的结果(SSPM—Segregated也比较理想[3-5]。声源和声传播分离计算方法

Source-PropagationMethods)解决了CAA计算量巨大和SNGR计算结果精确度不足的问题。轴流风扇的非定常流场十分复杂,如何选择合适的湍流模型成为风机噪声预测的关键。目前的湍流数值模拟方法有三种:直接数值模拟、大涡数值模拟和雷诺平均模拟。湍流大涡数值模拟是有别于直接数值模拟和雷诺平均模式的一种数值预测湍流的方法,大涡模拟将大尺度湍流直接使用数值求解,对小尺度湍流脉动建立模型。这种方法的优点是:对空间分辨率的要求远小于直接数值模拟方法;另一方面,它可以获得比雷诺平均模拟更多的湍流信息[6]。

2大涡模拟理论

大涡模拟采用过滤方法消除湍流小尺度脉动,过滤N-S方程导出得到大涡数值模拟的控制方程如下[7]:

2

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(1)

来稿日期:2012-03-25

作者简介:伍文华(1987-),男,四川,在读硕士研究生,主要研究方向是数值仿真技术及计算流体力学;

),男,重庆,博士,博士生导师,主要研究方向是数字化设计与仿真技术、机电一体化及传感技术杜平安(1962-

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