风扇广泛应用于电子设备中，主要用于散热。 为了降低成本，人们不断减小风扇直径和提高速度，导致更高的噪音水平。 为了选择正确的设计，需要精确且经济的工具。 风机是在产品安装条件下使用的，自由空间或风洞测试条件除外，因此需要准确的声场**。 本文介绍了在Inter-Noise 2023上发表的“箱式风扇产生的噪声的数值预测”。
试验方法及计算参数
*举出两种风扇噪声声场方法：一种是假设声音在自由空间内传播，结合CFD软件**; 另一种是混合方法，其中声源从 CFD 软件中提取并通过声学求解器传播。 在本次测试中，使用CFD软件中的SCFLOW软件计算了非定常流场，自由空间声场中的声压为**。 我们还使用ACTRAN软件来计算声压级。 这两款软件均由海克斯康工业软件公司开发，具有良好的数据交互性。
SCFflow 是一款基于有限体积法 （FVM） 的综合 CFD 软件，适用于任意多面体网格。 本研究采用不可压缩非定常压力求解器和LES的WALE模型，并采用精细网格。 时间间隔为 360° 4096，即一个圆分为 4096 步。 RANS 计算结果用作 LES** 的初始条件。 计算了 25 个周期，前 5 圈达到稳定状态，后 20 圈用于评估。 入口和出口条件分别为总压力和流量。 SCFflow具有FW-H声压**，可加密护罩侧壁周围的网格，以捕获涡流轨迹。
商业软件Actran基于有限元法（FEM）计算到相关声源的远场传播。 求解器同时考虑了安装效应和平均流量引起的对流效应。 偶极子声源在小型风扇外壳中占主导地位，由旋转叶片的负载产生，通过嵌入声学域**的固定偶极子环执行。 完成力映射和傅里叶变换后，得到频域中的偶极子。 在声学**中，该设置不包括旋转叶片，取而代之的是静态偶极子。 在远场中，封闭域的表面是非反射的，并且保留了必要的信息。 支柱和外壳的表面对声波的传播是完全刚性的。 求解器提供声学信息，例如声功率或声学轮廓。
与 FW-H** 一样，偶极子源是根据 CFD** 的最后 20 次风扇旋转计算得出的。 源按三个时间间隔排列，每个时间间隔对应 10 圈 （0.）。2s）。通过两个软件的计算，我们将压升结果与实验结果进行了比较，并将流场可视化。 我们还将FW-H法和偶极环法**的声压级与实验结果进行了比较。 讨论了两种方法结果的差异，以及声学特性不同的原因。
计算结果
图1 风扇性能特点
*通过SCFLOW分析将风扇的性能与实验结果进行比较，如图1所示，从比较中可以看出，风扇性能**非常准确。
基线风扇在低流量范围内表现不佳，而高负载风扇在此范围内表现良好。 高负荷风机通过将失速点转移到较低的流量侧，实现了更高的压力上升和更宽的工作范围。 数值模拟结果与实验结果吻合较好，表明流场再现较好。
图2 使用Q标准的涡流可视化。
涡旋结构主要分布在壁面附近以及叶尖和侧壁周围。 对于两个流速较高的风机，叶尖涡流逐渐增大，并在下一个叶片下平稳流动。 在中等流速下，两个风扇之间的流量特性存在差异。 参考风扇尖端的涡流与下一个叶片的前缘相互作用，以增加不稳定性。 但是，与高负载风扇没有明显的相互作用。 在低流量下，两个风扇上的气流完全停滞。
图3 FW-H法和偶极环法的声压谱与监测点的实验和数值结果的比较。
对于声压，我们比较了FW-H法和偶极环法，如图3所示。 在上图中，FW-H是SCFLOW的计算结果，环偶极子是Actran组合偶极环法的计算结果。 偶极环法更接近实验结果，特别是在低频部分，这可能是由于FW-H假设声音在自由空间中传播，而偶极环法的ACDRAN更接近实际器件。 实验表明，当第一个叶片以 250 Hz 的频率 （bpf） 通过时，会出现强峰值，尤其是高流速 =022点钟。 但这两种方法都无法**这些峰值。
图4 辐射声压与流速相关性的比较; 通过实验观察到监测点的声压级和偶极环法**的辐射功率。
我们还比较了辐射声压与流速的关系。 实验结果与偶极环法**的辐射功率一致。 对于基线风机，中等流量的声压级与低流量的声压级相同; 对于高负载风扇，中等流量比低流量更安静。 偶极环法成功地捕捉到了这种差异。 对于大流量风扇，观察点无法通过该值**的第一个BPF峰值，但这些峰值可以通过辐射声功率来观察。 这可能与外墙干涉或反射有关。
众所周知，壁压与声音产生有关。 FW-H中的声压是从壁面压力中获得的，在偶极环法中，声压是从叶片上的流体力计算得出的。 在低流速和中流速下，压力波动很大，尤其是在叶片前缘附近。 这是由于叶尖和涡流之间的相互作用。 高流量和中流量 = 016台风机未见强烈压力波动，噪音水平降低。
结论
综上所述，我们提出了两种箱式风机噪声方法：一种是FW-H法，通过CFD软件进行流动和声学处理; 另一种是偶极环法，它是CFD和声学软件的结合。 这些方法已在具有两种不同叶片配置的小型箱式风扇上进行了验证。 我们还计算了风力涡轮机的三个流动系数，并使用细网格LES求解了非定常流场。
数值结果表明，升压性能与实验结果一致。 两个风扇有不同的失速点，计算表明了这一点。 将实验结果与FW-H法和偶极环法**的声压级进行比较，发现偶极环法的结果更接近实验结果，特别是在低频范围内。 偶极环法可以在实验中定性地捕捉辐射声压与流速之间的关系。 最后，我们讨论了不同叶片结构产生不同声音特性的原因。 在基线风扇的中等流速下，叶尖与涡流的相互作用导致机翼前缘附近产生强烈的压力波动和噪音。