Altair CFD 专栏丨如何实现低成本降噪？风扇噪声流体仿真解决方案

风扇和其他旋转物体的声学性能的实验评估严重受限于物理测试的困难或设备尺寸。作为实验方法的替代方法，数值方法被引入到开发流程中。与旋转机械的流动引起的噪声相关的物理机制是复杂的，且对于气动声学方法来说是具有挑战性的：

• 噪声是一种高度瞬态现象，传统的CFD求解器由于流动和结构的复杂性，难以准确预测在一个合理时间区段中的瞬态效应

• 窄带噪声集中在频谱的一个狭窄部分，包含高比例的声能

• 宽带噪声是由湍流边界层或叶片上的分离引起的。

• 风扇安装位置和周围零件会影响上下游的流动条件。

在这个例子中，小型发电机柜是普遍被应用的工业设备，轴流冷却风扇转速1500 rpm。以半消声室或开放式测试设置，将5个麦克风放置在距机体1m之外，如下图所示，以捕捉噪音水平和方向性。

噪声试验测量的麦克风位置

下表中列出了装置内冷却风扇参数。模拟使用4张NVIDIA A100 40GB GPU：

原设计方案(图a)是常见的风扇冷却套件，冷却气流来自带常规百叶窗的正面和侧面的开孔。第一次设计迭代(图b)具有与原设计相似的方案，但在机柜的顶部加装额外的隔音材料，还有人字形的声学百叶窗，如下图3中绿色物体所示。

可以针对特定的噪声源进一步优化隔音百叶窗的设计，以达到最大的降噪效果。下图列出了常用的六个设计参数。

常用的声学百叶窗设计参数

冷却空气流量是机柜内风扇的重要参数。为了不影响冷却效果，隔音材料被放置在不严重影响流量的位置。冷却空气流经百叶窗和换热器带走热量。第一次设计迭代与原设计相比显示了类似的流动性能，如下表所示。然而，隔音材料和人字形百叶窗的噪音吸收将噪声级降低3dB，这大约是声功率能量的一半。

如下图所示，两个风扇中心垂直平面速度量值的图像中的流场非常相似。

流速和风扇表面压力: 原设计(左)和第一次迭代设计(右)

还可以看到如下图所示的噪声方向性。这些图像显示了特定频率范围的局部压力波动水平，第一次迭代设计显示在机壳顶部隔音板下，还有在后侧的穿过人字形声学百叶窗的噪音比较低。这个可视化还显示出，可以通过进一步微调后侧隔音材料和百叶窗设置来实现潜在的改进。

声压云图: 原设计(左)和第一次迭代设计(右)

ultraFluidX是一种基于Lattice-Boltzmann方法的求解器，非常适合研究风扇噪声和其他瞬态流动仿真。其固有低数值耗散和LES湍流模型是气动噪声仿真理想的选择。由于低数值耗散的优势，求解器可以在流场模型中直接模拟声音传播，而不需要其他简化的声传输模型。它可以精确捕获噪声水平，可视化流场并显示噪声源的位置以及噪声的传播方式。ultraFluidX完全基于GPU加速，加速了产品迭代，从而改进设计周期。ultraFluidX的优势：

• 固有的瞬态，时间精确的显式时间算法

• 高精度的湍流模型，捕捉空气微小的压力脉动

• 低数值耗散，可直接模拟从噪声源到麦克风的传播

• 前处理效果高，仅需要STL表面，无需大量的网格建模工作

旋转机械存在于许多不同类型的应用中，例如发动机冷却系统、通风系统和风电叶轮。使用ultraFluidX的LBM算法+GPU高性能计算，快速定位气动噪声源，理解噪声产生的机理，比较不同的降噪措施，为产品优化提供有力的帮助。