Actran在空调管道气动噪声计算中的应用与优势

1引言

汽车空调管路在设计时需要评估以下性能指标:

1)空调管路的压力损失,气流的分离程度;

2)空调管路流入乘员舱的流体流动的方向性和均匀性;

3)空调系统产生的噪声大小。



同时,空调管路的设计和开发过程中也需要考虑某些限制和制约,包括外形限制、空间限制及注塑加工工艺限制等。

随着汽车整体振动和噪声的不断降低,管路内湍流导致的空气噪声逐渐成为汽车的主要噪声源,因此,研究空调管路噪声对于汽车减振降噪有重要意义。此外,国内外汽车OEM厂商也通过试验测量确定了各个子系统的噪声标准[1]。图1给出了汽车空调系统的噪声测量。

基于Actran的空调管道类气动噪声计算及应用的图1

图1 管路系统及仪表板系统的噪声测量

噪声的测量是在半无限的消声室内完成的,试验过程中,正常开启空调系统,在测试件对面的特定距离(该位置距离仪表板的距离与乘客耳朵距离仪表板的距离相同)放置麦克风,用来记录在该位置的噪声大小。

为减小试验的测量误差,放置了多个麦克风进行同时测量。图2给出了试验的测量结果,其中黑色曲线是各监测点实验测量值,蓝色曲线是目标值。

基于Actran的空调管道类气动噪声计算及应用的图2

图2 仪表板系统噪声测量结果

CAE技术的应用是汽车噪声和振动方面研究和应用的重要领域,同时,数值技术在汽车设计方面的应用可大大的降低汽车的研发成本。汽车在研发的过程中,可根据CAE的计算结果对进行分析和判断,并改进原始的设计方案。

目前,在空调系统的研发过程中,CFD(计算流体动力学)已经成为设计过程中的一个基础部分,随着数值技术和计算机硬件水平的提高,CAA(计算气动噪声)技术必将成为汽车空调设计过程中不可或缺的工具。


2Actran与CFD联合求解气动噪声流程

Actran是专业计算声学软件,在气动噪声求解方法中,Actran基于Lighthill声类比或Möhring声类比方法来提取声源,并可以计算复杂环境下(吸声材料、隔声罩、格栅等)的声传播。计算方法相关介绍资料请参考《基于Cradle和Actran联合仿真的气动噪声精确预测》

Actran与CFD联合求解气动噪声计算流程如下所示。

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图3. Actran与CFD联合求解气动噪声计算流程

简言之,大家可以采用常见的CFD软件(如Cradle、Fluent、Star ccm+、CFX、Powerflow等),求解流场中的脉动项,输出瞬态计算得到的速度、压力和密度(低马赫数,可压缩气体);然后采用Actran软件建立声学求解模型,同时转换流场中的脉动项,把上述脉动项转化为气动声源,最后求解复杂工况下的声传播,并采用Actran做后处理。下面章节介绍几篇已发表的Actran软件求解汽车空调管道噪声的文章。


3Actran与CFD联合求解汽车管道噪声案例

3.1    汽车空调管路及格栅气动噪声预测

本文由伟世通与FFT合作发表于2010年NOISE-CON会议,详情见附件[1]。计算过程中,CFD部分采用Fluent软件,采用LES湍流模型求解管路瞬态流动特征,网格采用多面体生成技术,网格数为652,000,见下图。

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图4. CFD计算域、网格及速度分布

声学部分采用FFT公司Actran软件来完成,按每个波长8个线性网格来处理,波长根据最大频率3000Hz来计算。声学模型分成三个区域:声源区、声传播区和无限元区,自由度为450000。

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图5. Actran管道计算模型

实验验证时如下图所示,共4个麦克风,监测点距离出风口0.9m,距离地面1m。

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图6. 空调管道噪声测试实验

计算得到的管路声源分布图如下所示:

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图7. 不同频率下声源分布云图(应力张量)

求解气动声源在管道内的声传播,得到的声压级分布云图如下所示:

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图8. 不同频率下声传播分布云图(声压级dB)

最终得到的声压曲线与实验对比如下所示。

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图9.实验与仿真对比曲线(2号和4号麦克风,声压级dB)

由上图对比曲线可以看出,考虑到多次实验测得数据呈现区间性,而Actran计算得到的频谱曲线在整个频段上与实验结果吻合度较高,尤其可以明显捕捉对应的特征频率。原文描述为:四个麦克风处的仿真结果与实验结果吻合度均较高,表明该方法可以精确预测工业上管道气动噪声。

3.2    不同风管的气动噪声预测

本文发表于AERO-ACOUSTICS会议,详情见附件[2]。操作流程与3.1章节文章流程类似,计算过程中,CFD部分采用Fluent软件,采用LES湍流模型求解管路瞬态流动特征,网格采用六面体生成技术,两个模型(带格栅管道和不带格栅管道)网格数分别为3,200,000和3,900,000,见下图。

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图10. 带格栅管道和不带格栅管道网格

进口边界为,速度进口,流速为20m/s;出口边界为相对压力出口,相对压力为0,参考大气压为10325Pa;其他边界为无滑移速度边界,即定义为WALL。

瞬态计算前,先求解稳态流场,采用RANS湍流模型,目的为为瞬态计算提供初始流场,便于瞬态迭代;同时便于查看网格质量及需要加密的区域。瞬态计算中,时间步长为1e-4s,这个是由声学计算的频率范围决定的,为了便于捕捉低频特性,流体需要保存至少0.1s物理时间。

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图11. 不带格栅速度(左)和压力(右)分布图

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图12. 带格栅速度(左)和压力(右)分布图

 

声学计算采用Actran软件,分析频率为3000Hz,按每个波长4个二阶单元来表示,最大的网格边长不能超过28mm。计算模型如下图所示。模型包括声源区、声传播区和无反射区。

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图13. 声学计算模型

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图14. 260Hz和1550Hz声源分布云图

下图为声功率和声压级对比曲线,其中黑色虚线为带格栅管道,蓝色实线为无格栅管道。

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图15. 声功率和声压级对比曲线

从声压级曲线来看,带格栅的管道在整个频带上声压级均大于无格栅管道,无格栅管道在当前流速下,2000Hz以上甚至出现负的声压级,即高频声压小于参考声压,声压值较小。

基于Actran的空调管道类气动噪声计算及应用的图17

图16. 距管道出口1m处测点在260Hz和1550Hz的指向性曲线

上图为指向性曲线,即Actran可以快速便捷的查看声音传播的方向性,并根据不同指向性来查看特殊频率处声压级分布云图。

伟世通另外一款管路开发过程中,同样采用CFD + Actran的技术路线进行分析,其中物理模型及CFD模型如下所示。

基于Actran的空调管道类气动噪声计算及应用的图18

图17. 几何模型及CFD边界条件

CFD设置与常用设置致,采用速度进口,压力出口。为了模拟管道出口处湍流发展,特意加装喇叭口形状扩张段,后续声学计算时,在此基础上取其中一部分作为声源区即可。

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图18. CFD网格及速度分布云图

图中,上图为多面体网格,可以使CFD整体网格数少很多(与四面体相比),CFD计算效率更高。下图为速度分布云图,其中左图是稳态CFD速度分布云图,而右图是瞬态CFD分布云图。

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图19. 声压级分布云图与对比曲线

从上面曲线可以看出,实验与仿真吻合度较高。原文中对于傅里叶变换时的窗函数也有所介绍,Actran中包含多种窗函数供大家选择,这样可以保持实验数据处理和仿真数据处理的一致性,上述对比曲线采用的是Hanning窗函数,也是平时较为常用的一种窗函数。


3.3    带挡板的空调弯管噪声分析与验证

本文由德国汽车气动噪声联合会(GAC)与FFT合作,发表于第15届AIAA气动噪声会议,详情见附件[3],该文章有较详细理论介绍,大家可翻阅。

基于Actran的空调管道类气动噪声计算及应用的图22

图20. 管路噪声测量实验(全消声室)

计算过程中,CFD部分采用Star-CD软件,采用DES湍流模型求解管路瞬态流动特征,管道全长3m,网格采用正交笛卡尔网格,网格数为2,400,000。进口边界为,速度进口,流速为7.5m/s;出口边界为相对压力出口,相对压力为0,参考大气压为10325Pa;其他边界为无滑移速度边界,即定义为WALL。

瞬态计算前,先求解稳态流场,采用RANS湍流模型,目的为瞬态计算提供初始流场,便于瞬态迭代;同时便于查看网格质量及需要加密的区域。瞬态计算中,时间步长为8e-5s,这个是由声学计算的频率范围决定的;保留时长为1s,从仿真的第8秒到第9秒之间。

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图21.PIV实验与Star-CD仿真结果

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图22. 壁面脉动压力实验与仿真的对比曲线

上图中,蓝色实线和黑色实线来自另一篇文献,红色实线是Star-CD计算结果。较好的CFD计算结果是后续声学计算的必要保证。

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图23. 声学网格划分

声学计算采用Actran软件,分析频率为1000Hz,按每个波长4个二阶四面体单元来表示,网格数为240,000。

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图24. 不同频率声压级分布云图(左)及声源分布云图(右)

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图25. 实验与仿真对比曲线(1)

上图中,绿色阴影部分为监测点附近多个测点的测量数据形成的数据区间;绿色实线为测量数据平均值;蓝色实线为Actran计算的测点附近多个点的平均值。从上图曲线可知,50Hz~1000hz内曲线吻合较好,1000Hz以上仿真数值耗散较大,结果不可信;分析有两方面原因:1.声学网格按1000hz得到,不符合2000Hz计算要求;2.CFD计算时截止频率也是大约到1000Hz,这是由CFD计算中网格尺度和湍动能耗散率决定。

下图为优化CFD网格和声学网格后的计算结果,CFD网格加密后,计算效率变低,故CFD取0.1s物理时间。

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图26. 实验与仿真对比曲线(2)

从上图可知,CFD网格和声学网格加密后,高频计算结果较之前好很多,数值耗散较小;但低频吻合度较之前差很多,尤其200Hz以下,分析原因为CFD保存时间由以前的1s减为0.1s,导致低频数据捕捉效果不好,出现较大波动。


4总结

目前Actran的气动噪声计算功能已被广泛认可和应用,除了上文提到的文章,与汽车管道气动噪声相关应用的文献还有很多,如[4]、[5],请参考。

目前Actran广泛应用于国内外主机厂和知名零配件厂商,与气动噪声相关的应用场景包括风噪声、空调管路气动噪声、空调压缩机气动噪声、排气管路再生噪声、增压器气动噪声等,近期颁布的Actran_18.0版本在六面体网格自动生成、自适应频段快速求解、SNGR快速计算等方面大大提升了气动噪声计算的效率,有需要了解和交流的朋友可以随时联系我们。

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