風扇廣泛應用於電子裝置中，主要用於散熱。 為了降低成本，人們不斷減小風扇直徑和提高速度，導致更高的噪音水平。 為了選擇正確的設計，需要精確且經濟的工具。 風機是在產品安裝條件下使用的，自由空間或風洞測試條件除外，因此需要準確的聲場**。 本文介紹了在Inter-Noise 2023上發表的“箱式風扇產生的雜訊的數值預測”。
試驗方法及計算引數
*舉出兩種風扇雜訊聲場方法：一種是假設聲音在自由空間內傳播，結合CFD軟體**; 另一種是混合方法，其中聲源從 CFD 軟體中提取並通過聲學求解器傳播。 在本次測試中，使用CFD軟體中的SCFLOW軟體計算了非定常流場，自由空間聲場中的聲壓為**。 我們還使用ACTRAN軟體來計算聲壓級。 這兩款軟體均由海克斯康工業軟體公司開發，具有良好的資料互動性。
SCFflow 是一款基於有限體積法 （FVM） 的綜合 CFD 軟體，適用於任意多面體網格。 本研究採用不可壓縮非定常壓力求解器和LES的WALE模型，並採用精細網格。 時間間隔為 360° 4096，即乙個圓分為 4096 步。 RANS 計算結果用作 LES** 的初始條件。 計算了 25 個週期，前 5 圈達到穩定狀態，後 20 圈用於評估。 入口和出口條件分別為總壓力和流量。 SCFflow具有FW-H聲壓**，可加密護罩側壁周圍的網格，以捕獲渦流軌跡。
商業軟體Actran基於有限元法（FEM）計算到相關聲源的遠場傳播。 求解器同時考慮了安裝效應和平均流量引起的對流效應。 偶極子聲源在小型風扇外殼中佔主導地位，由旋轉葉片的負載產生，通過嵌入聲學域**的固定偶極子環執行。 完成力對映和傅利葉變換後，得到頻域中的偶極子。 在聲學**中，該設定不包括旋轉葉片，取而代之的是靜態偶極子。 在遠場中，封閉域的表面是非反射的，並且保留了必要的資訊。 支柱和外殼的表面對聲波的傳播是完全剛性的。 求解器提供聲學資訊，例如聲功率或聲學輪廓。
與 FW-H** 一樣，偶極子源是根據 CFD** 的最後 20 次風扇旋轉計算得出的。 源按三個時間間隔排列，每個時間間隔對應 10 圈 （0.）。2s）。通過兩個軟體的計算，我們將壓公升結果與實驗結果進行了比較，並將流場視覺化。 我們還將FW-H法和偶極環法**的聲壓級與實驗結果進行了比較。 討論了兩種方法結果的差異，以及聲學特性不同的原因。
計算結果
圖1 風扇效能特點
*通過SCFLOW分析將風扇的效能與實驗結果進行比較，如圖1所示，從比較中可以看出，風扇效能**非常準確。
基線風扇在低流量範圍內表現不佳，而高負載風扇在此範圍內表現良好。 高負荷風機通過將失速點轉移到較低的流量側，實現了更高的壓力上公升和更寬的工作範圍。 數值模擬結果與實驗結果吻合較好，表明流場再現較好。
圖2 使用Q標準的渦流視覺化。
渦旋結構主要分布在壁面附近以及葉尖和側壁周圍。 對於兩個流速較高的風機，葉尖渦流逐漸增大，並在下乙個葉片下平穩流動。 在中等流速下，兩個風扇之間的流量特性存在差異。 參考風扇尖端的渦流與下乙個葉片的前緣相互作用，以增加不穩定性。 但是，與高負載風扇沒有明顯的相互作用。 在低流量下，兩個風扇上的氣流完全停滯。
圖3 FW-H法和偶極環法的聲壓譜與監測點的實驗和數值結果的比較。
對於聲壓，我們比較了FW-H法和偶極環法，如圖3所示。 在上圖中，FW-H是SCFLOW的計算結果，環偶極子是Actran組合偶極環法的計算結果。 偶極環法更接近實驗結果，特別是在低頻部分，這可能是由於FW-H假設聲音在自由空間中傳播，而偶極環法的ACDRAN更接近實際器件。 實驗表明，當第乙個葉片以 250 Hz 的頻率 （bpf） 通過時，會出現強峰值，尤其是高流速 =022點鐘。 但這兩種方法都無法**這些峰值。
圖4 輻射聲壓與流速相關性的比較; 通過實驗觀察到監測點的聲壓級和偶極環法**的輻射功率。
我們還比較了輻射聲壓與流速的關係。 實驗結果與偶極環法**的輻射功率一致。 對於基線風機，中等流量的聲壓級與低流量的聲壓級相同; 對於高負載風扇，中等流量比低流量更安靜。 偶極環法成功地捕捉到了這種差異。 對於大流量風扇，觀察點無法通過該值**的第乙個BPF峰值，但這些峰值可以通過輻射聲功率來觀察。 這可能與外牆干涉或反射有關。
眾所周知，壁壓與聲音產生有關。 FW-H中的聲壓是從壁面壓力中獲得的，在偶極環法中，聲壓是從葉片上的流體力計算得出的。 在低流速和中流速下，壓力波動很大，尤其是在葉片前緣附近。 這是由於葉尖和渦流之間的相互作用。 高流量和中流量 = 016颱風機未見強烈壓力波動，噪音水平降低。
結論
綜上所述，我們提出了兩種箱式風機雜訊方法：一種是FW-H法，通過CFD軟體進行流動和聲學處理; 另一種是偶極環法，它是CFD和聲學軟體的結合。 這些方法已在具有兩種不同葉片配置的小型箱式風扇上進行了驗證。 我們還計算了風力渦輪機的三個流動係數，並使用細網格LES求解了非定常流場。
數值結果表明，公升壓效能與實驗結果一致。 兩個風扇有不同的失速點，計算表明了這一點。 將實驗結果與FW-H法和偶極環法**的聲壓級進行比較，發現偶極環法的結果更接近實驗結果，特別是在低頻範圍內。 偶極環法可以在實驗中定性地捕捉輻射聲壓與流速之間的關係。 最後，我們討論了不同葉片結構產生不同聲音特性的原因。 在基線風扇的中等流速下，葉尖與渦流的相互作用導致機翼前緣附近產生強烈的壓力波動和噪音。