设计仿真 | 箱式风扇噪音的数值预测
风扇在电子设备中广泛应用，主要用于散热。为了降低成本，人们不断缩小风扇直径和提高转速，导致噪音水平上升。为了选择合适的设计，需要精确而经济的仿真工具。除了在自由空间或风洞试验条件外，风扇在产品安装条件下使用，因此需要对声场进行精确预测。本文介绍了发表于Inter-Noise 2023的“Numerical prediction of noise generated from a box fan”论文的相关内容。
◆ 测试方法与计算参数
论文提到两种风扇噪声声场的预测方法：一种是假设声音在自由空间中传播，结合CFD软件进行仿真；另一种是混合方法，从CFD软件中提取声源，通过声学求解器进行传播。本次试验使用CFD软件中的scFLOW软件进行非稳态流场计算，预测自由空间声场中的声压。我们还使用Actran软件计算声压级。两款软件均由海克斯康工业软件开发，具有良好的数据交互性。
scFLOW是一款全面的CFD软件，基于有限体积法（FVM），适用于任意多面体网格。本研究使用不可压缩非稳态压力求解器和LES的WALE模型，并采用精细网格。时间间隔为360°/4096，即一圈分为4096步。RANS计算结果作为LES仿真的初始条件。计算了25个循环，前5圈达到稳态，后20圈用于评估。入口和出口条件分别为总压和流速。scFLOW具有FW-H声压预测功能，加密了护罩侧壁周围的网格以捕捉涡流轨迹。
商业软件Actran基于有限元法（FEM）计算远场传播到相关声源的情况，进行计算。该求解器能考虑安装效应和平均流引起的对流效应。偶极子声源主导小风扇情况，由旋转叶片的载荷产生，用声学域中嵌入的固定偶极子环进行仿真。完成力映射和傅立叶变换后，得到频域中的偶极子。在声学仿真中，设置不包括旋转叶片，用静态偶极子代替。远场中，包围域表面非反射，保留必要信息。支杆和套管表面对声波传播完全刚性。求解器提供声学信息，如声功率或声学云图。
与FW-H仿真相同，偶极子源由CFD仿真的最后20个风扇旋转计算得出。信号源按三个时间间隔排列，每个间隔对应10圈（0.2s）。通过两款软件的计算，我们比较了压升结果与实验结果，可视化了流场。我们还比较了FW-H法和偶极环法预测的声压级与实验结果。讨论了两种方法的结果的差异，以及产生不同声学特性的原因。
◆ 计算结果
图1 风扇性能特性
论文中对通过scflow分析对风扇性能与实验结果进行了对比，如图1所示，从对比中可知，风扇性能预测的非常准确。
基线风扇在低流速范围内性能不佳，而高负荷风扇在此范围内表现良好。高负荷风扇通过将失速点转移到较低流量侧，实现了更高的压升和更宽的运行范围。数值模拟结果与实验结果相符，表明流场得到了良好再现。
图2 利用Q标准实现涡流可视化
涡流结构主要出现在壁面附近以及叶尖和侧壁周围。对于高流速的两台风机，叶尖涡流逐渐增大并在下一个叶片下平稳流动。中等流速时，两种风机在流动特性上存在差异。基准风机尖端涡流与下一个叶片前缘相互作用，增加不稳定性；而高负荷风机无明显相互作用。在低流量时，两个风扇上的气流完全停滞。
图3 FW-H方法和偶极环方法在监测点的声压谱与实验结果和数值结果的比较
对于声压，我们比较了FW-H方法和偶极环法的预测结果，如图3所示。上图中FW-H为scflow的计算结果，Ring dipoles为Actran相结合的偶极环法计算结果。偶极环法更接近实验结果，尤其在低频部分，这可能是由于FW-H假设声音在自由空间传播，而偶极环法的Actran更接近实际装置。实验表明，在第一个叶片通过频率(BPF)为250Hz时，会出现较强峰值，尤其是高流速φ=0.22时。但两种方法都无法预测这些峰值。
图4 辐射声压与流速相关性的比较；在实验中观察到的监测点处的声压水平和通过偶极环方法预测的辐射功率
我们还比较了辐射声压与流速的关系。实验结果与偶极环法预测的辐射功率一致。对于基线风扇，中等流量与低流量声压级相同；对于高负荷风扇，中等流量比低流量更安静。偶极环法成功捕捉到这种差异。对于高流量风机，观测点无法通过数值预测第一个BPF峰值，但辐射声功率可观测到这些峰值。这可能与外墙干扰或反射有关。
众所周知，壁面压力与声音产生相关。FW-H中声压由壁面压力获得，偶极环法中声压由叶片上流体力计算得出。在低流速和中流速下，压力波动较大，叶片前缘附近尤为明显。这是由于叶片尖端与涡流间的相互作用。而高流量和中等流量φ=0.16的风机未观察到强烈压力波动，噪声水平降低。
◆ 结论
综上所示，我们提出了两种预测箱式风机噪声的方法：一种是FW-H方法，通过CFD软件仿真流动和声学；另一种是偶极子环法，是CFD和声学软件的相结合的方法。这些方法已在两种不同叶片配置的小型箱式风机上验证。我们还计算了风机的三个流量系数，并使用细网格LES求解非稳态流场。
数值结果表明，压升性能与实验结果一致。两台风机有不同的失速点，计算结果也预测了这一点。比较实验结果与FW-H法和偶极环法预测的声压级，发现偶极环法的结果更接近实验结果，尤其是在低频范围。偶极环法可定性地捕捉到实验中辐射声压与流速的关系。最后，我们讨论了不同叶片结构产生不同声音特性的原因。在基线风扇的中等流速下，叶尖与涡流的相互作用导致机翼前缘附近产生强烈的压力波动和噪声。
