CFD 专栏丨屋顶冷水机组气动噪声分析

1、屋顶冷水机组噪声分析

屋顶冷水机组是商业建筑和工业设施中常见的制冷设备，其噪声并非单一来源，而是由其内部核心部件（压缩机、冷凝风机、水泵等）及辅助结构共同产生。其中冷凝风机约占 30%~60%，气动噪声又可细分为：

• 旋转噪声（离散频率噪声）：风扇叶片周期性切割空气，形成压力脉动产生的噪声，表现为“嗡嗡”的低频轰鸣（通常 200-1000Hz），传播距离远、穿透性强，易对下层建筑或周边居民区造成影响。

• 湍流噪声（宽带噪声）：风扇叶片表面气流分离、涡流脱落，以及气流在进风口、出风口的紊乱流动产生的噪声，频率范围广（1000-10000Hz），表现为“呼呼”的中高频噪声，近距离影响更明显。（如屋顶设备层周边）

屋顶无遮挡的开阔环境，使噪声传播路径易通过“空气传声”影响下层住户，或通过“结构传声”（机组振动传递到屋顶楼板）间接传播，尤其夜间环境噪声本底值低时，风扇噪声的干扰更突出。

冷水机组原理图

屋顶冷水机组实物图

如果噪声源距离人员较近，可以安装声屏障，或在风扇出口加装通风斗，引导气流到相反方向。

屋顶冷水机降噪措施

噪声测试方法

• 根据 ISO 3744 测试规范，在无法满足半消声室（ISO 3745）或混响室（ISO 3741）等精密测试条件时，提供经济实用的噪声源声功率级测定方法。

• 被测对象为立方体，测点布置在距离设备 1m 的六个面上，高度覆盖设备全尺寸。

• 反射面：需为坚硬平整的地面，尺寸超出测量区域投影至少 1 米，且反射系数＞0.9（即吸声系数＜0.1）。

• 自由场条件：除反射面外，测量表面 10 倍距离内无其他反射物（如墙壁、障碍物），此时环境修正系数 K₂≤0.5dB 可忽略不计。

• 背景噪声：测量表面平均声压级需低于被测设备至少 6dB，理想情况下应低于 15dB。

噪声测点位置

2、冷凝风机噪声 CFD 仿真

仿真对象为某款商用冷水机组，长宽高为 3.2*2*1.2 米，顶部安装 8 个轴流风机，将气流从箱体侧面的格栅吸入经过热交换器后由顶部排出。

冷水机组实物图

冷水机组 CFD 模型

仿真计算对比 2 个模型：baseline 和顶部安装通风斗模型。

采用 HyperMesh CFD 建模和噪声后处理，ultraFluidX 求解气动噪声。

baseline

顶部安装通风斗

虚拟风洞的长宽高为 50*50*25 米；环境风速为 0；换热器设置为多孔介质；湍流模型为 Smagorinksy LES。

总格子数量为 1.3 亿，物理时间 3 秒，采用 8 张 V100 GPU 计算时间 12.3 小时。

格子尺寸空间分布

参考 ISO3744 测试规范，在水冷机组周围布置 9 个虚拟麦克风。

p1~p9 虚拟麦克风位置

p1~p9 虚拟麦克风位置

p1~p9 虚拟麦克风位置

3、OSM 和 Virtual Fan 模型

风扇噪声仿真通常采用 OSM(OverSetMesh) 模型模拟风扇的转动，计算精度高，但是计算成本高。在本例中，仅采用了一个 OSM 模型，其余七个风扇采用 Virtual Fan，计算成本仅为 OSM 的 1/10。

Virtual Fan 模型的不足是无法复现风扇噪声频谱曲线的 BPF 尖峰特征，因此在 CFD 计算中仅记录其中一个 OSM 风扇的信号，并进行复制和平移，在测点位置重构出多个风扇噪声源的叠加效应。

8 个 OSM 风扇模型

1 个 OSM +7 个 Virtual Fan 模型

4、FW-H 声传播模型

理论基础

Ffowcs Williams-Hawkings（FW-H）由英国学者 Ffowcs Williams 和 Hawkings 于 1969 年提出。它基于 “声学类比” 思想，将复杂的流体动力学方程转化为可求解的声学波动方程，从而高效计算远场噪声，广泛应用于航空航天、汽车、风机等工程场景。

• 气动噪声的直接仿真需求解包含流体运动和声波传播的全流场方程（如 Navier-Stokes 方程），但声波的能量远低于流体动能（通常差 10⁶-10⁹量级），直接求解会因数值精度问题难以捕捉噪声信号。

• 声学波动方程：

     • 其中 p 为声压，c 为声速，∇2 为拉普拉斯算子。该方程通过线性化流体力学中的连续性方程、欧拉方程和物态方程推导而来，适用于小振幅声波的传播分析。‌‌

近场噪声 ultraFluidX 可以直接模拟，但是要求声源和麦克风之间的空间网格分辨率足够细，否则会丢失高频信号。

如果麦克风距离声源较远，直接模拟的成本就无法接受。采用 FW-H 模型将噪声源和声传播计算解耦，可以极大的节省计算量。

ultraFluidX 采用 FW-H 声源复制功能，可以模拟多个声源叠加的场景。在本例中冷却系统包含 8 个风扇，仅记录其中一个（假设全部风扇具有相同气动性能），在噪声信号处理过程中将噪声源复制和平移，在虚拟麦克风位置重构多声源的叠加效应，从而减少计算成本和信号处理的数据量。

FW-H 模型的复制粘贴

ultraFluidX 在其中一个 OSM 风扇出口空间创建 FW-H 面，对声源进行采样。

FW-H 模型对一个风扇噪声源进行信号采样

5、CFD 后处理

YZ 切面瞬态风速

baseline

有通风斗

YZ 切面瞬态风压脉动

baseline

有通风斗

XZ 切面瞬态风速

baseline

有通风斗

XZ 切面瞬态风压脉动

baseline

有通风斗

6、噪声信号处理

ultraFluidX 仿真原始数据的采样频率 47.6KHz, 长度 1.8 秒，包含 61.8K 数据点。

时域噪声信号

在 HyperMesh CFD 中将 9 个虚拟麦克风的数据进行 FFT 转换为 SPL 声压级曲线(Narrowband 8Hz)。

从频谱曲线看，有通风斗的模型 BPF 及其谐波的峰值均降低，一方面通风斗减少了多个风扇出口气流的冲撞和干扰，另一方面对噪声的传播起到屏蔽作用。

baseline

有通风斗

p9 测点位于机组正上方，噪声信号最强；加装风斗后各个测点的总声压级均显著降低，背风位置的 p5、p6 两个角点位置噪声最低。

总声压级对比

分别对比 p1~p9 测点的声压级曲线，实线为 baseline 模型, 虚线为安装通风斗模型。

P1 测点声压级曲线对比

P2 测点声压级曲线对比

P3 测点声压级曲线对比

P4 测点声压级曲线对比

P5 测点声压级曲线对比

P6 测点声压级曲线对比

P7 测点声压级曲线对比

P8 测点声压级曲线对比

P9 测点声压级曲线对比

7、总结

基于 LBM 算法的 CFD 软件 ultraFluidX 对某款商用水冷机组进行了气动噪声仿真分析，计算采样多 GPU 加速，仿真效率高。

FW-H 用于模拟声源到麦克风位置的声传播，将噪声源和声传播计算解耦。FW-H 的声源”复制粘贴”功能，可重构多个噪声源叠加的效果。

OSM 动网格模型可精确模拟风扇叶片的动静干涉，捕捉 BPF 及谐波峰值；Virtual Fan 模型仅用 P-Q 曲线替代，计算成本低。在多风扇的模型中，结合 FW-H 模型可以节省大量计算成本。

从本例看，水冷机组安装通风斗降噪效果显著，且对风扇冷却性能影响小。下一步对风扇叶片造型进行 DOE 参数优化设计，可进一步降低噪声源。

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