本文將說明工程師如何能夠使用 Altair 的氣動(dòng)解決方案來模擬和降低一款小型發(fā)電機(jī)柜冷卻風(fēng)扇的噪音。Altair?ultraFluidX? 的模擬結(jié)果將設(shè)備內(nèi)部的流場和聲場可視化，研究風(fēng)扇和機(jī)柜內(nèi)其他部件的相互作用，確認(rèn)噪聲源來自何處（協(xié)助工程師采取有效的降噪措施），以及識別葉片通過頻率(Blade Passing Frequency)。
當(dāng)前世界對于減少工業(yè)噪音污染的壓力越來越大。美國國家環(huán)境保護(hù)局 (US Environment Protection Agency) 表示，24小時(shí)內(nèi)平均低于70分貝的噪音是安全的，不會(huì)導(dǎo)致聽力損失。美國國家職業(yè)安全衛(wèi)生研究所(National Institute of Occupational Safety and Health)表示，任何低于85分貝的聲音都不會(huì)導(dǎo)致暴露在吵雜機(jī)械環(huán)境的工人聽力受損。但這些水平遠(yuǎn)高于歐盟提出的建議。2009年，歐盟設(shè)定噪音夜間40分貝的準(zhǔn)則，以保護(hù)人體健康。并且規(guī)定白天有穩(wěn)定、連續(xù)的噪音（比如高速公路上的噪音）不應(yīng)超過50分貝。
風(fēng)扇通常在獨(dú)立條件下進(jìn)行評估，其中任何復(fù)雜的組件或子系統(tǒng)通常會(huì)導(dǎo)致增加噪音。然而，構(gòu)建物理樣機(jī)非常昂貴，并且需要反復(fù)測試。若要對產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行重大更改或構(gòu)建更多樣機(jī)，此時(shí)通常為時(shí)已晚，而且這將增加成本和延后產(chǎn)品的發(fā)布時(shí)間。Altair ultraFluidX可以幫助工程師檢測現(xiàn)有樣機(jī)中的風(fēng)扇噪音，并在新產(chǎn)品研發(fā)初期就可采用仿真的方法減少噪音源。
雖然CFD數(shù)值仿真更適合早期設(shè)計(jì)評估，但大多數(shù)傳統(tǒng)網(wǎng)格法CFD求解器模擬氣動(dòng)噪聲周期長，代價(jià)高。ultraFluidX的Lattice Boltzmann（格子玻爾茲曼算法）具有獨(dú)特的高精度瞬態(tài)特性，使工程師能夠仿真和理解復(fù)雜的流動(dòng)結(jié)構(gòu)和相互作用。
風(fēng)扇和其他旋轉(zhuǎn)物體的聲學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)評估嚴(yán)重受限于物理測試的困難或設(shè)備尺寸。作為實(shí)驗(yàn)方法的替代方法，數(shù)值方法被引入到開發(fā)流程中。與旋轉(zhuǎn)機(jī)械的流動(dòng)引起的噪聲相關(guān)的物理機(jī)制是復(fù)雜的，且對于氣動(dòng)聲學(xué)方法來說是具有挑戰(zhàn)性的：噪聲是一種高度瞬態(tài)現(xiàn)象，傳統(tǒng)的CFD求解器由于流動(dòng)和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，難以準(zhǔn)確預(yù)測在一個(gè)合理時(shí)間區(qū)段中的瞬態(tài)效應(yīng)窄帶噪聲集中在頻譜的一個(gè)狹窄部分，包含高比例的聲能寬帶噪聲是由湍流邊界層或葉片上的分離引起的。風(fēng)扇安裝位置和周圍零件會(huì)影響上下游的流動(dòng)條件。
在這個(gè)例子中，小型發(fā)電機(jī)柜是普遍被應(yīng)用的工業(yè)設(shè)備，軸流冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速1500 rpm。以半消聲室或開放式測試設(shè)置，將5個(gè)麥克風(fēng)放置在距機(jī)體1m之外，如下圖所示，以捕捉噪音水平和方向性。
噪聲試驗(yàn)測量的麥克風(fēng)位置
下表中列出了裝置內(nèi)冷卻風(fēng)扇參數(shù)。模擬使用4張NVIDIA A100 40GB GPU：
仿真流程及耗費(fèi)時(shí)間如下：
原設(shè)計(jì)方案(圖a)是常見的風(fēng)扇冷卻套件，冷卻氣流來自帶常規(guī)百葉窗的正面和側(cè)面的開孔。**次設(shè)計(jì)迭代(圖b)具有與原設(shè)計(jì)相似的方案，但在機(jī)柜的頂部加裝額外的隔音材料，還有人字形的聲學(xué)百葉窗，如下圖3中綠色物體所示。
可以針對特定的噪聲源進(jìn)一步優(yōu)化隔音百葉窗的設(shè)計(jì)，以達(dá)到*大的降噪效果。下圖列出了常用的六個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)。常用的聲學(xué)百葉窗設(shè)計(jì)參數(shù)
冷卻空氣流量是機(jī)柜內(nèi)風(fēng)扇的重要參數(shù)。為了不影響冷卻效果，隔音材料被放置在不嚴(yán)重影響流量的位置。冷卻空氣流經(jīng)百葉窗和換熱器帶走熱量。**次設(shè)計(jì)迭代與原設(shè)計(jì)相比顯示了類似的流動(dòng)性能，如下表所示。然而，隔音材料和人字形百葉窗的噪音吸收將噪聲級降低3dB，這大約是聲功率能量的一半。
如下圖所示，兩個(gè)風(fēng)扇中心垂直平面速度量值的圖像中的流場非常相似。流速和風(fēng)扇表面壓力: 原設(shè)計(jì)(左)和**次迭代設(shè)計(jì)(右)
噪聲頻譜和單個(gè)麥克風(fēng)OASPL(總聲壓級)顯示了噪音的降低，尤其是在中高頻范圍，這是這種隔音材料的典型特征。單個(gè)麥克風(fēng)結(jié)果還顯示主要的噪聲傳播方向是朝向后端，而這里的麥克風(fēng)是直接正對著冷卻風(fēng)扇的下游氣流的。這是安裝了人字形隔音百葉窗后需要改進(jìn)的關(guān)鍵位置。
還可以看到如下圖所示的噪聲方向性。這些圖像顯示了特定頻率范圍的局部壓力波動(dòng)水平，**次迭代設(shè)計(jì)顯示在機(jī)殼頂部隔音板下，還有在后側(cè)的穿過人字形聲學(xué)百葉窗的噪音比較低。這個(gè)可視化還顯示出，可以通過進(jìn)一步微調(diào)后側(cè)隔音材料和百葉窗設(shè)置來實(shí)現(xiàn)潛在的改進(jìn)。聲壓云圖: 原設(shè)計(jì)(左)和**次迭代設(shè)計(jì)(右)
ultraFluidX是一種基于Lattice-Boltzmann方法的求解器，非常適合研究風(fēng)扇噪聲和其他瞬態(tài)流動(dòng)仿真。其固有低數(shù)值耗散和LES湍流模型是氣動(dòng)噪聲仿真理想的選擇。由于低數(shù)值耗散的優(yōu)勢，求解器可以在流場模型中直接模擬聲音傳播，而不需要其他簡化的聲傳輸模型。它可以**捕獲噪聲水平，可視化流場并顯示噪聲源的位置以及噪聲的傳播方式。ultraFluidX完全基于GPU加速，加速了產(chǎn)品迭代，從而改進(jìn)設(shè)計(jì)周期。ultraFluidX的優(yōu)勢：固有的瞬態(tài)，時(shí)間**的顯式時(shí)間算法高精度的湍流模型，捕捉空氣微小的壓力脈動(dòng)低數(shù)值耗散，可直接模擬從噪聲源到麥克風(fēng)的傳播前處理效果高，僅需要STL表面，無需大量的網(wǎng)格建模工作
旋轉(zhuǎn)機(jī)械存在于許多不同類型的應(yīng)用中，例如發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)和風(fēng)電葉輪。使用ultraFluidX的LBM算法+GPU高性能計(jì)算，快速定位氣動(dòng)噪聲源，理解噪聲產(chǎn)生的機(jī)理，比較不同的降噪措施，為產(chǎn)品優(yōu)化提供有力的幫助。
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