基于Actran的空调管道类气动噪声计算及应用

CAE大拿

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。

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。

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。

2 Actran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。

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。

3 Actran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。

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。

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。

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：

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：

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。

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。

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。

图11. 不带格栅速度（左）和压力（右）分布图

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。

图13. 声学计算模型

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

图21.PIV实验与Star-CD仿真结果

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。

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。

图24. 不同频率声压级分布云图（左）及声源分布云图（右）

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。

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。