CFD 专栏丨空调管路流动噪声 LBM 仿真

管路流动噪声的实验对标

实验对象是简单的 L 形风道，矩形截面 。设置有阀门和无阀门两种构型，实验段入口风速为匀速 7.5m/s，风道内是充分发展的湍流。实验段上游采用变速风扇驱动气流，通过串联消声器降低风扇噪声。待测 L 形风道放置在消声室内。在风道内 7 个位置用 1/4 英寸传感器测量非定常壁面压力波动。使用 PIV 装置测量风道内时均流场结构。

实验装置原理图

实验段 L 形肘管尺寸

PIV 实验

ultraFluidX 仿真模型的时间步长Δt=8.4x10-7s，计算物理时间 1.1 秒，湍流模型为 Smagrinsky LES。

LBM 格子加密方式：管路和阀门内壁体贴加密 8 层 0.5mm 的格子，管路出口为 1mm, 2mm，4mm……2^n 格子尺寸过渡。

LBM 模型的格子加密

LBM 模型的格子加密

瞬态流场动画显示，由于流动惯性，在 90°弯头内侧发生流动分离，阀门下游的低速区存在较为紊乱的流动，以及管路出口的高速喷流，这些高度非定常的流动区域是噪声的主要来源。

在 HyperMesh CFD 中将时域风压数据进行信号处理，可以看出管路出口的湍流风压，幅值大，以对流速度传播，通常被称作伪噪声（Pseudo Noise）。以及向远场传播的声学压，幅值小，以声速传播，并被远场麦克风记录。通过 FFT 处理，用户可以将特定频段的信号过滤，更直观的分析噪声的产生和传播。

PIV 实验流场对比（有阀门）

实验和仿真均显示在阀门下游存在 2 个旋转方向相反的大漩涡，漩涡周期性脱落的频率约为 80Hz。

管路流场（有阀门）

上图 PIV 实验，下图 ultraFluidX 仿真结果

声压级曲线实验对比（有阀门）

7 个传感器均为嵌入式安装在管路内壁面，使其与表面平齐，没有突出或凸起，不影响流动。

上游测点的 SPL 曲线对标（有阀门）

红色-ultraFluidX，黑色-实验

下游测点的 SPL 曲线对标（有阀门）

红色-ultraFluidX，黑色-实验

没有阀门的阻挡，90°弯头内侧发生的流动分离一直延伸到出口，造成出口高度方向的明显速度差异。

管路瞬态流场（无阀门）

管路时间平均流场（无阀门）

PIV 实验流场对比（无阀门）

管路流场（无阀门）

上图 PIV 实验，下图 ultraFluidX 仿真结果

声压级曲线实验对比（无阀门）

上游测点的 SPL 曲线对标（无阀门）

红色-ultraFluidX，黑色-实验

下游测点的 SPL 曲线对标（无阀门）

红色-ultraFluidX，黑色-实验

对比有（无）阀门的频谱曲线，可以看出在流量相同的情况下，有阀门管路的内部测点的 SPL 幅值约高 20dBA。

工程应用：汽车空调系统噪声

空调风噪是空调系统在运行过程中，鼓风机送风后气流与风道相互作用产生的噪声。新能源电动车由于没有了发动机作为背景噪声，空调噪声成为了车内主要的噪声来源。按照噪声源类型可分为：风扇旋转噪声，其通常具有明显的峰值；以及混合箱，管路，格栅，舱内气流等引起的宽频噪声。

风扇的旋转噪声 BPF（Blade Passing Frequency）峰值通常是由于旋转叶片和固定件的动静干涉、入口的扰动、叶尖气流泄露等因素造成。在 ultraFluidX 求解器中可以用 OverSet Mesh 重叠网格来模拟叶轮真实转动。或采用虚拟风扇模型（Virtual Fan），仅需输入 P-Q 曲线，那么空气流量由系统阻力曲线和风扇 P-Q 曲线的交点确定。

HyperMesh CFD 设置虚拟风扇

如下图所示的简化风道模型，上游无换热器的情况下，空气流量接近理论最大流量；上游增加换热器模型后，流量减少。

虚拟风扇模型计算 HVAC 风量

下图所示汽车空调实验状态下，开到大风量，人耳处的声压级 SPL 曲线。小于 1000Hz 噪声的主要贡献来自管路系统和声腔模态，1000Hz 以上的峰值来自叶轮的 BPF，其贡献量被宽频噪声所掩盖。

空调噪声的实验曲线

采用动网格 Rotating Blower 模型和虚拟风扇 Virtual Fan 模型均捕捉到了空调管路系统的宽频噪声。虽然，虚拟风扇模型的仿真 SPL 曲线丢失了叶轮的 BPF 峰值，但是计算代价只有动网格的 1/10。

空调噪声的实验和仿真对比

下图显示 ultraFluidX 仿真单个出风口的声压 dBMap 云图，入口风速为 5m/s。

通过 HyperMesh CFD 的信号处理工具，将原始 CFD 时域结果转为 100~2000Hz 频段的噪声风压脉动。

下图显示 ultraFluidX 仿真汽车空调箱的风速云图，叶轮采用虚拟风扇 P-Q 曲线，格子总数 3.5 亿，物理时间 1.8 秒，采用 4 张 A100 显卡计算约 5 小时。

将原始 CFD 时域结果转为 100~2000Hz 频段的噪声风压脉动。出风口附近为湍流压力脉动区域，幅值大，噪声信号以风速传播（伪噪声）。远场区域的声学压幅值小，以声速传播。

水平切面的声压云图 dBMap

空调出风口的 Vortex Core 等值面

空调出风口的 lamda2 等值面图

空调噪声仿真总结

• 关键区域：保留风道、出风口、格栅等气流路径的几何细节，LBM 建模无须几何简化。

• 噪声算法：近场噪声采用 CAA 计算声学法，远场传播采用 FW-H 模型。

• 格子加密：最高频率决定最密格子尺寸，一个波长内至少 15 个格子。

• 数据采样：保存流场数据频率需满足奈奎斯特采样定理（至少 2 倍于目标最高频率）。

• 计算时长：总时长覆盖 5 个以上低频噪声周期。

• 优化策略：避免急转弯，采用渐扩/渐缩截面减少流动分离。

• 流量和噪声的关系：整体声压级（OASPL）与流量呈 6 - 7 次方幂律关系。

• 实验对标的不确定性：体积流量测量不确定性约 3%，导致噪声测量不确定性约 1dB。麦克风位置、几何细节等因素会额外引入 1 - 2dB 变化，出风口格栅角度难以控制和测量，可能使流量分配变化达 10%，导致噪声测量潜在误差增加 4 - 5dB。在 200 - 3000Hz 频段，乘员舱空调噪声是直达噪声和衍射噪声的混合，需考虑内饰吸声材料的影响。

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