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汽车空调鼓风机结构参数的全局敏感性分析及多目标优化

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汽车空调鼓风机结构参数的全局敏感性分析及多目标优化

作者：李露西南交通大学

学位级别：硕士

新能源汽车失去了传统发动机噪声的覆盖,空调系统中鼓风机成为主要的噪声源之一,其性能和噪声直接影响着汽车的品质。多翼离心风机为汽车空调鼓风机的核心部分,占用空间体积小、风量大等优点使得其在空调通风等领域,获得了极大的优势。... 详细信息

新能源汽车失去了传统发动机噪声的覆盖,空调系统中鼓风机成为主要的噪声源之一,其性能和噪声直接影响着汽车的品质。多翼离心风机为汽车空调鼓风机的核心部分,占用空间体积小、风量大等优点使得其在空调通风等领域,获得了极大的优势。但与其他类型风机相比,多翼离心风机做功总体利用率较低,在汽车空调产业总体能耗严重,其结构参数的不合理设计对鼓风机的性能占主导地位。同时由于离心风机存在周期性旋转部件,不合理的结构会增大气动噪声的辐射,高水平噪声环境会极大影响车内人员的乘车舒适性,甚至能对身体健康产生威胁。因此,针对目前某车用空调鼓风机气动噪声突出、性能低下的问题,本文通过单影响因素研究、全局敏感性分析、预测模型及多目标优化等方法降低风机气动噪声的同时改善其性能。首先,通过试验测试和数值仿真分析汽车空调鼓风机的气动噪声和性能,并对数值仿真模型进行检验。分析表明风机的气动噪声主要由43阶次气动噪声构成,风机叶轮和蜗舌部位为产生气动噪声的主要噪声源;并且风机内部气体回流、部件间的相互干涉等因素引起流动损失较大进而造成性能普遍低下。不均匀性流动较强的区域主要集中在蜗舌及叶片附近,对风机气动噪声及性能影响较大的结构有蜗舌、蜗舌间隙、叶片出口角、蜗壳型线。其次,通过数值模拟分别分析了蜗舌半径、蜗舌间隙、叶片出口角、蜗壳型线对风机气动噪声及性能的影响规律。随着蜗舌半径变大,噪声幅值呈现先增大后减小、性能呈现先基本不变后增大的趋势;蜗舌间隙、叶片出口角、蜗壳型线参数与风机噪声幅值呈负相关规律,并随着蜗舌间隙、叶片出口角参数值变大,风机性能呈现先增大后减小趋势;但随着蜗壳型线参数值变大,静压值先增大再略微减小最后增大,风机效率则呈现先增大后减小的规律。某单一目标的改善,往往会引起其他目标的不同效应变化,需综合考虑风机气动声噪与性能均较优时各结构参数的合理匹配。并基于各结构参数的影响规律分析,确定了后文敏感性分析和多目标优化的变量范围。然后,采用拉丁超立方体抽样法对结构参数的样本空间进行参数随机采样,通过数值方法计算相应的样本点,引入Sobol’方法对四种结构参数进行全局敏感性分析,获得各个参数、以及不同参数间同时变化引起的交互作用效应对风机的气动噪声及性能的影响程度。风机气动噪声指标下的各个参数影响程度从大到小依次是:叶片出口角,蜗舌间隙,蜗舌半径和蜗壳型线参数;风机性能为指标下的各个参数影响程度从大到小依次是:蜗壳型线,叶片出口角,蜗舌半径和蜗舌间隙参数。分析还表明蜗舌半径、叶片出口角与其他参数之间的交互作用效应最大,其次是蜗舌间隙,而蜗壳型线与其他因子间的交互作用对风机的各个目标参数的影响程度最小。结合数值仿真分析各结构参数组的高阶敏感性,蜗舌半径与叶片出口角的交互作用效应对目标的影响程度最大,蜗舌间隙与蜗壳型线的交互作用效应最小。最后,采用数值计算后的90组空间样本点,基于Kriging代理模型建立了鼓风机气动噪声、性能预测模型,预测结果与实际值变化趋势一致,静压值、效率、噪声幅值的预测精度较高,其中静压值预测最大相对误差为1.4%,平均相对误差1.03%,效率的最大相对误差为5.8%,平均相对误差3.7%;而噪声预测值的最大相对误差为4.6%,平均相对误差3.3%。然后结合风机的预测模型和NSGA-III优化算法进行多目标优化,优化结果表明:采用该方法优化后与原风机相比,风机内部流动、压力分布等方面得到改善,优化了气动噪声、性能,其中鼓风机的静压和效率分别提升了106.3Pa和4.75%,同时噪声幅值降低了4.39d B。综上所述,本文在研究鼓风机主要结构因素对风机气动噪声及性能的影响规律的基础上,引入Sobol’全局敏感性方法分析了各个参数及参数间的交互作用效应对气动噪声、静压值、效率的影响程度,并基于Kriging代理模型建立了汽车空调鼓风机气动噪声、性能预测模型,并结合预测模型和NSGA-III算法,提出了对鼓风机气动噪声和性能的多目标优化方法,这对于工程实际中汽车空调鼓风机的噪声改善、气动性能优化具有一定的指导意义。

关键词：汽车空调鼓风机气动噪声性能全局敏感性多目标优化

新能源汽车空调鼓风机气动噪声特性分析及优化

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噪声与振动控制 2022年第2期42卷 134-142页

作者：王俊杰黄燕张凡王洪强覃旗开董大伟西南交通大学机械工程学院成都610031 上海市动力工程多相流动与传热重点实验室上海200093 南方英特空调有限公司重庆401120

由于缺少发动机噪声的覆盖,新能源汽车空调鼓风机产生的气动噪声成为影响乘车舒适性的重要噪声源,主要针对某新能源汽车空调鼓风机系统进行气动噪声特性分析和优化,以适应更加严苛的噪声控制要求。采用ANSYS数值模拟软件和半消声实验室... 详细信息

由于缺少发动机噪声的覆盖,新能源汽车空调鼓风机产生的气动噪声成为影响乘车舒适性的重要噪声源,主要针对某新能源汽车空调鼓风机系统进行气动噪声特性分析和优化,以适应更加严苛的噪声控制要求。采用ANSYS数值模拟软件和半消声实验室,通过对原始叶轮模型流场和声场的研究分析复杂的轮毂、叶片、气流和结构部件周期性相互作用产生的气动噪声特性,并开展轮毂型线和叶顶弧度对气动噪声的影响研究,其中轮毂型线模型最大可以分别降低43阶次叶频噪声和总声压级5.0 d B和4.2 dB,叶顶弧度模型最大可以分别降低43阶次叶频噪声和总声压级4.0 dB和2.7 dB。研究结果对优化新能源汽车空调鼓风机在受限空间内气动噪声控制具有一定的参考意义。

关键词：声学汽车空调鼓风机叶片气动噪声降噪优化

车用空调鼓风机非定常流动及湍流噪声特性分析

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车用空调鼓风机非定常流动及湍流噪声特性分析

作者：方小刚西南交通大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

关键词：汽车空调鼓风机非定常流动湍流噪声旋转域特征分解

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车用空调鼓风机串列叶轮设计及优化分析

车用空调鼓风机串列叶轮设计及优化分析

作者：王俊杰西南交通大学

学位级别：硕士

新能源汽车已经逐渐开始占据市场,随着内燃机等噪声源的缺失,空调鼓风机系统的噪声成为影响乘员舱内乘员乘坐舒适性的主要因素之一。传统的车用空调鼓风机是一种离心结构风机,存在运行效率较低、气动阶次噪声突出等问题,设计优化一种新... 详细信息

新能源汽车已经逐渐开始占据市场,随着内燃机等噪声源的缺失,空调鼓风机系统的噪声成为影响乘员舱内乘员乘坐舒适性的主要因素之一。传统的车用空调鼓风机是一种离心结构风机,存在运行效率较低、气动阶次噪声突出等问题,设计优化一种新的车用空调鼓风机叶轮,同时兼具高效与低噪是本文的主要研究目的。多级叶轮是在航空压气机等高效叶轮机械中应用较多的一种叶轮结构,其功效和气动性能优异,因此在新叶轮的设计中拟进行离心串列叶轮的设计以及影响因素的规律分析。首先,通过分析原型空调鼓风机单级叶轮在功率、效率以及气动噪声方面存在的问题,发现原型叶轮入口处存在的明显冲击损失,轮毂表面较大的低速流体聚集区域以及强涡流现象,是导致原型叶轮效率不高、噪声欠佳的关键原因。基于此流场和声场分析结果,通过流动损失理论考虑了风机中常见的流动损失类型,以流动损失最小为目标建立了叶轮主要结构参数和运行参数与性能理论最优值之间的数学关系,经过循环假设验证确定了新叶轮模型的关键参数,结合叶轮设计软件建立了新的串列叶轮模型。将原型鼓风机的噪声试验数据与数值仿真数据进行对比,确定了数值模拟方法的有效性。以新的叶轮模型为基础,仿真分析四种不同反动度模型的流场和声场分布规律,结果表明高反动度的模型的压力面与吸力面的静压差明显更高,其叶片的做功能力更强,第二级叶片流道内的流速相对更高且流道内湍动能更为强烈。该型叶轮出口速度主要表现为切向速度,轴向速度与径向速度均不大,且反动度高的模型出口速度大于反动度低的模型,气流在其叶片流道内获得了更多的动能致使其效率较高。低反动度模型流道中声功率强度较高,且主要集中在靠近叶片表面处与叶轮出口位置,反动度0.3的模型噪声表现最优。对四种不同叶片数的模型进行影响规律分析,结果表明:28叶片数的模型流道面积较小,入口处较为拥堵,流动状况不佳;16叶片数的模型在蜗壳流道内会有较强的湍流,造成流动损失;效率最高的模型是20叶片数的模型,噪声最低的是24叶片数的模型。对不同一二级叶片间距的模型进行影响规律分析,结果表明12 mm间距的模型流道内存在横向压力梯度,入口处有明显的回流和涡流,受到前一级叶片尾迹的干扰,流道内出现大量低速流体聚集,降低了叶轮效率;效率最高的模型是10 mm间距模型,噪声最低的是8 mm间距模型。通过正交试验分析对比了叶片数、一二级叶片间距、二级叶片入口角三个结构参数对叶轮的效率与噪声的影响权重与规律。利用效率、噪声的双目标寻优评价法,寻优出叶轮在效率与噪声表现中达到较好平衡的最佳结构参数组合。最终的优化叶轮模型与原始叶轮模型相比,效率提升了0.97%,在两个噪声监测点的总声压级分别下降了0.85 d B、1.08 d B,且原型叶轮较为突出的阶次噪声有所下降,在两个监测点分别下降了1.10 d B与1.61 d B,优化叶轮模型中声能被重新分配,突出阶次的声能贡献量下降。在4250 r/min的高转速工况下,优化模型相比原始模型效率提升了2.03%,在POS1和POS2两个噪声监测点的总声压级分别下降了1.82 d B、2.04 d B。在5000 r/min的高转速工况下,优化模型相比原始模型效率提升了2.53%,在POS1和POS2两个噪声监测点的总声压级分别下降了2.13 d B、2.43 d B。综上所述,本文开展了车用空调鼓风机的新型串列叶轮设计,研究了不同因素下该叶轮的流场和声场分布规律,并通过正交试验以提升效率和降低气动噪声为双目标寻优了该型叶轮的最佳结构参数组合,以上对车用空调鼓风机叶轮的设计与优化具有一定的理论意义和参考价值。

关键词：汽车空调鼓风机串列叶轮反动度正交试验优化设计