车用空调鼓风机非定常流动及湍流噪声特性分析

作     者：方小刚 

作者单位：西南交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：董大伟

授予年度：2023年

学科分类：12[管理学] 083002[工学-环境工程] 1204[管理学-公共管理] 120402[管理学-社会医学与卫生事业管理(可授管理学、医学学位)] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 082304[工学-载运工具运用工程] 08[工学] 0837[工学-安全科学与工程] 080204[工学-车辆工程] 0802[工学-机械工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：汽车空调鼓风机 非定常流动 湍流噪声 旋转域特征分解 

摘      要：作为进行空气循环的主要动力源，车用空调鼓风机内部的旋转部件叶轮运转时会产生较大的气动噪声，其对车内的噪声水平贡献量逐渐成新能源车内不可忽视的因素，对汽车空调鼓风机进行气动噪声研究具有重要的意义。鼓风机内非定常流动结构的演化同步影响着鼓风机的噪声特性，是制约风机气动噪声的关键。已有的研究中，关于鼓风机非定常流的能量传递过程、流动稳定性以及由湍流而引起的湍流噪声在非定常湍流尺度演化过程中的变化特性的研究成果较少。基于此，本文提出旋转域特征分解方法研究风机内复杂的非定常湍流流动，同时针对风机湍流噪声突出的问题开展鼓风机湍流噪声特性研究。 首先，采用实验及仿真结合的研究方法，从噪声与性能两方面验证了数值模拟的可行性，并分析了汽车空调鼓风机的噪声特性及气动性能。从压力、速度、湍动能、声功率等多个维度初步分析了原始鼓风机模型在 3500 r/min 转速工况下的流场和声场特性，根据设计工况1/3倍频程频谱计算了所关注频段的能量贡献率，研究表明：风机内部湍流运动与风机噪声存在高度关联性，湍流宽频噪声贡献量在70%以上。 其次，采用控制变量法研究了湍流模型、网格类型以及离散方法对三种简化结构的流场与声场数值仿真的影响。研究表明：在风机流场模拟性能上，RNG k-ε、Realizable k-ε、SST k-w 三种湍流模型均具有可靠性，由于 RNG k-ε、SST k-w 模型考虑了低雷诺数的影响，对小尺度流动具有更好的模拟性能;在风机声场模拟性能上，RNG k-ε、Realizable k-ε、LES 对 4 叶片风机噪声模拟结果相近，但由于不同叶片结构风机湍流场的差异、不同模型在湍流参数模化上的差异，RNG k-ε 与 LES 相比于 Realizable k-ε 对16叶片风机与43叶片风机有更好的模拟效果;由于控制了网格质量、网格密度保证了求解精度，且不同的离散方法主要区别在于求解区域和控制方程的离散方式上，虽然网格类型与离散方法也会对风机流场声场数值模拟产生一定影响，但影响程度小于湍流模型。 然后，将旋转域模态分解方法引入鼓风机的非定常流动分析中，分析鼓风机内部的流动稳定性。通过 POD 方法提取了风机空间域上相互正交的湍流相干结构，通过DMD 分解方法，得到了得到了单一频率下的 DMD 模态及模态稳定性。POD 研究表明：随着POD模态阶数由低变高，对应模态含能逐渐降低，风机内部非定常湍流结构尺度由大变小。高阶模态对应的流动由多尺度、多频率叠加形成。DMD研究表明：耗散模态对最终流场不起作用，基频及其倍频（叶片转频除外）对应的DMD模态表现为与转速相关的反对称模态，体现了风机内流的“固有特性。叶片转频及其倍频对应的DMD模态表征了风机动静干扰作用的非对称模态，表现为风机内流在叶轮旋转激励下的“响应。4叶片与16叶片的模态稳定性研究均表明，基频、基频倍频对应的模态均为稳定周期性模态;其它频率下的模态与湍流运动相关，模态能量存在差异。 最后，基于 Fluent 宽频噪声模型、涡声理论、场协同原理、相干分析以及特征分解方法，研究了四叶片简化鼓风机结构的湍流宽频噪声特性。研究表明：随着转速的增加，4叶片风机湍流噪声在低频段呈现出的离散特性越来越明显，POS1测点在四种转速逐渐增大的工况对应的湍流宽频噪声对远场噪声占比分别为 49.51%、74.88%、82.51%、84.74%，POS2测点对应的湍流宽频噪声对远场噪声占比分别为50.7%、75.62%、83.04%、85.17%，当流量增大到一定程度时，湍流宽频噪声将成为风机噪声的主导噪声源。风机内部四极子声源呈现出集中—破裂—拉伸—迁移—再聚集的现象。流场与声场协同研究表明叶轮流域的声能交换量较蜗壳流域更大，风机外噪声不仅与风机内声源相关，还与风机内流场和声场的协同程度相关。在叶片转频及其倍频下的噪声，除了离散噪声以外，湍流运动也会对远场噪声产生贡献，且大尺度湍流运动对远场噪声贡献量高于小尺度。在大尺度转化为小尺度的过程中，湍流噪声频率逐渐远离基频叶频，幅值降低，小尺度诱发的湍流噪声与流动耗散相关联。能量占比较大的DMD声学耗散模态对最终的湍流声场不起作用，能量占比较大的 DMD 声学稳定模态对湍流声场起主导作用，随着时空演化，声学稳定模态对远场噪声形成贡献。基频及其倍频（叶片转频除外）对应的 DMD 声学模态表现为与转速相关，体现了风机湍流诱发声场的“固有特性。叶片转频及其倍频对应的DMD声学模态表征了风机动静干扰作用引起的声学响应。 本文所使用的理论分析方法，对研究同类型风机的复杂非定常流动与湍流宽频噪声特性具有参考价值。