如何实现低成本降噪？风扇噪声流体仿真解决方案

本文将说明工程师如何能够使用气动解决方案来模拟和降低一款小型发电机柜冷却风扇的噪音。ultraFluidX 的模拟结果将设备内部的流场和声场可视化，研究风扇和机柜内其他部件的相互作用，确认噪声源来自何处（协助工程师采取有效的降噪措施），以及识别叶片通过频率(Blade Passing Frequency)。

背景介绍

当前世界对于减少工业噪音污染的压力越来越大。美国国家环境保护局 (US Environment Protection Agency) 表示，24 小时内平均低于 70 分贝的噪音是安全的，不会导致听力损失。美国国家职业安全卫生研究所(National Institute of Occupational Safety and Health)表示，任何低于 85 分贝的声音都不会导致暴露在吵杂机械环境的工人听力受损。但这些水平远高于欧盟提出的建议。2009 年，欧盟设定噪音夜间 40 分贝的准则，以保护人体健康。并且规定白天有稳定、连续的噪音（比如高速公路上的噪音）不应超过 50 分贝。

风扇通常在独立条件下进行评估，其中任何复杂的组件或子系统通常会导致增加噪音。然而，构建物理样机非常昂贵，并且需要反复测试。若要对产品设计进行重大更改或构建更多样机，此时通常为时已晚，而且这将增加成本和延后产品的发布时间。Altair ultraFluidX 可以帮助工程师检测现有样机中的风扇噪音，并在新产品研发初期就可采用仿真的方法减少噪音源。

虽然 CFD 数值仿真更适合早期设计评估，但大多数传统网格法 CFD 求解器模拟气动噪声周期长，代价高。ultraFluidX 的 Lattice Boltzmann（格子玻尔兹曼算法）具有独特的高精度瞬态特性，使工程师能够仿真和理解复杂的流动结构和相互作用。

面临的挑战？

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。

流动与噪音设计

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：

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仿真流程及耗费时间如下：

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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。

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a) 作为基准的机箱内冷却风扇

b) 第一次设计迭代:隔音层与百叶窗

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。

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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。

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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。

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流速和风扇表面压力: 原设计(左)和第一次迭代设计(右)

噪声频谱和单个麦克风 OASPL(总声压级)显示了噪音的降低，尤其是在中高频范围，这是这种隔音材料的典型特征。单个麦克风结果还显示主要的噪声传播方向是朝向后端，而这里的麦克风是直接正对着冷却风扇的下游气流的。这是安装了人字形隔音百叶窗后需要改进的关键位置。

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麦克风平均声压级, 8Hz 分辨率

不同方位麦克风的声压级

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。

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声压云图: 原设计(左)和第一次迭代设计(右)

CFD™/CAA 解决方案

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

结论

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，为优化提供有力的帮助。

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