李偉業(yè)，郝玉濤，陳瑞峰，吳江權(quán)，李 奎

(1．襄陽中車電機(jī)技術(shù)有限公司，湖南 株洲 412000；2．中車株洲電力機(jī)車研究所有限公司，湖南 株洲 412001；3．懿朵信息科技(上海)有限公司，上海 201108)

0 引 言

電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)部件在軌道交通上得到廣泛應(yīng)用，近年來隨著國(guó)家對(duì)城市軌道交通的支持加大，牽引電機(jī)的應(yīng)用前景越來越好，同時(shí)對(duì)噪音要求越來越高。電機(jī)的噪聲主要有三種：即氣動(dòng)噪聲、機(jī)械噪聲、電磁噪聲等。為滿足高速行車要求，大部分時(shí)候牽引電機(jī)都處于高速轉(zhuǎn)動(dòng)情況，此時(shí)電機(jī)上散熱風(fēng)扇產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲是主要噪聲源[1-2]。

為降低氣動(dòng)噪聲的影響，需要在電機(jī)設(shè)計(jì)階段，通過仿真技術(shù)對(duì)其氣動(dòng)噪聲進(jìn)行預(yù)估與優(yōu)化，達(dá)到控制噪聲的目的。

Henner等人對(duì)車用風(fēng)機(jī)在非設(shè)計(jì)狀態(tài)下的噪聲進(jìn)行了仿真分析，復(fù)現(xiàn)了4000 Hz附近出現(xiàn)聲壓駝峰現(xiàn)象，在此基礎(chǔ)上對(duì)流場(chǎng)結(jié)果進(jìn)行分析，通過優(yōu)化葉片消除了聲壓駝峰[3]。Collison通過CFD和實(shí)驗(yàn)管道內(nèi)測(cè)量的結(jié)合方法，確認(rèn)了渦流從風(fēng)機(jī)葉輪后緣脫落時(shí)產(chǎn)生的噪音，提出了一種設(shè)計(jì)，以減少渦旋結(jié)構(gòu)的相干性，從而消除嘶嘶聲[4]。Tautz對(duì)鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行仿真和測(cè)試的對(duì)比，其中仿真方法采用了Lighthill方程和聲擾動(dòng)方程(APE)兩種方法，這兩種方法的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合都較好，后者可將聲壓和湍流壓分離，提供了更多的聲音激勵(lì)信息[5]。Lucius采用仿真手段對(duì)汽車散熱器風(fēng)扇在加與不加導(dǎo)流罩情況下，上游干擾對(duì)風(fēng)扇噪聲的影響做了分析，并與測(cè)試對(duì)比，在4000 Hz以內(nèi)均能達(dá)到較好的精度[6]。

本文對(duì)某電機(jī)在1900 r/min、3000 r/min和4000 r/min三種不同轉(zhuǎn)速下，分別作了流場(chǎng)和氣動(dòng)噪聲仿真分析，對(duì)比不同轉(zhuǎn)速下流場(chǎng)Q準(zhǔn)則分布、壓力分布、速度分布以及聲源分布。將仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果做了對(duì)比，驗(yàn)證了仿真精度。

1 氣動(dòng)噪聲仿真基礎(chǔ)

1.1 理論基礎(chǔ)

氣動(dòng)噪聲的模擬主要有2種方法，即有限元法和統(tǒng)計(jì)能量法，前者適用于低頻噪聲計(jì)算、后者更適用于高頻噪聲計(jì)算。本文計(jì)算頻率主要集中于中低頻段，因此采用有限元法。有限元法基于Lighthill提出的聲類比方法[7]：

(1)

式中,ρ0為環(huán)境密度，Tij為L(zhǎng)ighthill應(yīng)力張量，表達(dá)式如下：

(2)

1.2 仿真流程

氣動(dòng)噪聲仿真流程如下：

圖1 氣動(dòng)噪聲仿真流程圖

(1)流場(chǎng)穩(wěn)態(tài)仿真計(jì)算，獲得初始流場(chǎng)。

(2)流場(chǎng)非穩(wěn)態(tài)仿真計(jì)算，進(jìn)行時(shí)域密度脈動(dòng)與速度脈動(dòng)采樣，作為時(shí)域聲源。

(3)聲學(xué)計(jì)算，將時(shí)域聲源通過聲源提取、快速傅里葉變換得到頻域聲源，然后進(jìn)行聲傳播計(jì)算，得到聲場(chǎng)分布。

2 流場(chǎng)計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分

2.1 計(jì)算模型

氣動(dòng)噪聲計(jì)算對(duì)CFD的要求比較高，需要精確捕捉是非常難的，因此對(duì)其網(wǎng)格尺度、時(shí)間步長(zhǎng)和精度階次都有要求。

2.2 網(wǎng)格劃分

根據(jù)電機(jī)特點(diǎn)，將電機(jī)分為三個(gè)計(jì)算域，分別為：出口發(fā)展域、固定域和旋轉(zhuǎn)域，如圖2所示。分別在進(jìn)、出口設(shè)置2個(gè)測(cè)點(diǎn)，捕捉壓力脈動(dòng)。

圖2 三維模型

由于電機(jī)幾何結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，對(duì)各計(jì)算域進(jìn)行多面體網(wǎng)格劃分，如圖3所示。對(duì)葉輪以及動(dòng)靜交界進(jìn)行局部加密處理，動(dòng)靜交界面網(wǎng)格尺度1mm，保證邊界層為Y+≤1。各計(jì)算域交界面進(jìn)行面加密處理，最終總網(wǎng)格數(shù)為590萬。

圖3 計(jì)算域網(wǎng)格

2.3 計(jì)算模型設(shè)置

流場(chǎng)計(jì)算分為兩步，首先進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算，然后進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)計(jì)算，非穩(wěn)態(tài)計(jì)算5圈之后，進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，采樣2圈。對(duì)模型進(jìn)行三維全流場(chǎng)瞬態(tài)場(chǎng)數(shù)值計(jì)算，計(jì)算湍流模型為DES-SST模型，二階精度，以風(fēng)扇每旋轉(zhuǎn)1°作為1個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)。表1為不同轉(zhuǎn)速下的時(shí)間步長(zhǎng)和葉片通過頻率(BPF)。

表1 不同轉(zhuǎn)速下的時(shí)間步長(zhǎng)與葉片通過頻率

3 流場(chǎng)結(jié)果分析

Q準(zhǔn)則是進(jìn)行渦識(shí)別的常用準(zhǔn)則，Q準(zhǔn)則不考慮壁面剪切而產(chǎn)生的渦，更能準(zhǔn)確反映氣動(dòng)噪聲，一般Q準(zhǔn)則值越大對(duì)應(yīng)噪聲越強(qiáng)。表2列出了不同轉(zhuǎn)速下Q準(zhǔn)則和速度的最大值，以及壓力波動(dòng)的范圍，從表中可以判斷轉(zhuǎn)速越高，對(duì)應(yīng)氣動(dòng)噪聲越強(qiáng)。

表2 不同轉(zhuǎn)速下的最大Q準(zhǔn)則值和速度值以及壓力范圍

圖4～圖6為子午面上Q準(zhǔn)則、速度、壓力等參數(shù)分布圖，可以看出隨著風(fēng)扇轉(zhuǎn)速增加，Q準(zhǔn)則值、流速和壓力的最大值都增加，對(duì)應(yīng)氣動(dòng)噪聲增強(qiáng)。從速度分布上看，風(fēng)扇區(qū)域流線紊亂分離最為嚴(yán)重，其次為中部管道進(jìn)出口,這些區(qū)域是噪聲主要來源，從Q準(zhǔn)則分布可以得到同樣的結(jié)論。

圖4 Q準(zhǔn)則云圖

圖5 速度云圖

圖6 壓力云圖

4 聲場(chǎng)計(jì)算與分析

通過非穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)計(jì)算，導(dǎo)出不同時(shí)刻的速度和密度數(shù)據(jù)，即得到時(shí)域的聲源，再通過聲學(xué)有限元仿真得到聲學(xué)結(jié)果。圖7為電機(jī)的聲學(xué)計(jì)算模型，總聲學(xué)網(wǎng)格數(shù)為410萬。仿真計(jì)算時(shí)，按照試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[8]取5個(gè)測(cè)點(diǎn)，4個(gè)水平監(jiān)測(cè)點(diǎn)H1、H2、H3、H4，1個(gè)垂直監(jiān)測(cè)點(diǎn)V1，測(cè)點(diǎn)與電機(jī)本體距離1 m，具體位置如圖8所示，其中H1為進(jìn)口，H2為出口，H3、H4為左右測(cè)點(diǎn)。

圖7 聲學(xué)計(jì)算模型

圖8 測(cè)點(diǎn)位置

圖9為各轉(zhuǎn)速下對(duì)應(yīng)第一階葉片通過頻率處的Lighthill應(yīng)力張量分布(即聲源分布)圖，單位為dB?？梢钥闯鲭S著轉(zhuǎn)速的增加，聲源更強(qiáng)，與流場(chǎng)分析結(jié)果一致。

圖9 聲源分布/dB

圖10 不同轉(zhuǎn)速測(cè)點(diǎn)H1和H2的頻譜曲線

圖10為不同轉(zhuǎn)速下，測(cè)點(diǎn)H1和H2的頻譜曲線。1900 r/min時(shí)，在411 Hz處有明顯的峰值，3000 r/min時(shí)，在650 Hz處有明顯的峰值，4000 r/min時(shí)，在866 Hz處有明顯的峰值。

5 試驗(yàn)對(duì)比

樣機(jī)試驗(yàn)在半消聲室內(nèi)進(jìn)行，根據(jù)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，試驗(yàn)時(shí)在水平和垂直方向布置共5個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)與電機(jī)本體相距1 m，如圖11所示。

圖11 樣機(jī)試驗(yàn)

試驗(yàn)測(cè)試了3000 r/min和4000 r/min下電機(jī)各測(cè)點(diǎn)的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)。表3分別列出了不同轉(zhuǎn)速下各測(cè)點(diǎn)的聲壓級(jí)和平均聲壓級(jí)，以及對(duì)應(yīng)的仿真結(jié)果。3000 r/min時(shí)，平均聲壓級(jí)誤差為1.56 dB，各測(cè)點(diǎn)誤差在3.39 dB以內(nèi)；4000 r/min時(shí)，平均聲壓級(jí)誤差為2.36 dB，各測(cè)點(diǎn)誤差在4.51 dB以內(nèi)。2個(gè)轉(zhuǎn)速下的平均聲壓級(jí)誤差較小，說明聲源的聲功率誤差較小，流場(chǎng)仿真結(jié)果是可信的。

表3 不同測(cè)點(diǎn)總聲壓級(jí)對(duì)比

6 結(jié) 論

通過對(duì)3種高轉(zhuǎn)速下，牽引電機(jī)的氣動(dòng)噪聲進(jìn)行仿真分析，提取了5個(gè)測(cè)點(diǎn)的聲壓級(jí)，并計(jì)算平

均聲壓級(jí)。結(jié)合測(cè)試對(duì)比了2個(gè)轉(zhuǎn)速3000 r/min和4000 r/min的聲壓級(jí)結(jié)果，主要結(jié)論如下。

(1)3000 r/min時(shí)，5個(gè)測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)測(cè)試與仿真最大差距為H2點(diǎn)，相差3.39 dB，其他測(cè)點(diǎn)差距在2 dB以內(nèi)，平均聲壓級(jí)相差1.56 dB。從聲源能量來說，對(duì)標(biāo)精度較好。

(2)4000 r/min時(shí)，5個(gè)測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)測(cè)試與仿真最大差距為H4點(diǎn)，相差4.51 dB，其他測(cè)點(diǎn)差距在2.99 dB以內(nèi)，平均聲壓級(jí)相差2.36 dB，從聲源能量來說，對(duì)標(biāo)精度較好。

(3)通過CFD瞬態(tài)仿真輸出流場(chǎng)數(shù)據(jù)，以此作為聲學(xué)仿真的時(shí)域聲源，通過聲學(xué)計(jì)算得到測(cè)點(diǎn)結(jié)果，通過多工況與測(cè)試對(duì)比，精度均較好，滿足工程上預(yù)測(cè)牽引電機(jī)氣動(dòng)噪聲的需求。