布风器内部流道气动噪声强度与传播规律的数值模拟方法

1.本发明涉及一种新型的空调末端装置气动噪声的预测方法，尤其涉及一种布风器内部流道气动噪声强度与传播规律的数值模拟方法，属于空调设备降噪的领域。


背景技术：

2.为了保障船员和旅客能有安静的工作和生活环境，2012年5月国际海事组织(imo)海上安全委员会(msc)批准了《船上噪声等级规则》对船舶不同区域的噪声限值的修订，规定1万吨以上船舶餐厅、娱乐等区域的噪声不得高于60db(a)，居住舱的噪声限值从60db(a)下调到55db(a)。
3.而一般船舶的空调系统中噪声的种类主要为，空调主机工作时所产生的噪声、送风过程中送风管道的振动噪声，以及末端装置中由于气体湍流所产生的涡旋而导致的气动噪声。其中第一种噪声主要在空调主机所在舱室产生，在噪声传播过程中传播管道过长从而导致船舶主机噪声在到达居住舱室后的强度可以忽略不计，第二种噪声可以通过管道铺设过程中使用挠性固定件以及在末端入风口增加隔音棉，用来削弱噪声的产生与传播能力，因此第三种噪声是主要影响船舶居住舱室环境的一种噪声，而对于这种噪声的预测与削弱是极为重要的。
4.现阶段对噪声的主要预测手段是通过实验设计，在静音室内部，通过在人耳常在位置设置传感器或在噪声源周围设置传感器，来进行噪声强度的测量。而通过本发明可以使用数值模拟的方法，在产品生产之前进行噪声的预测从而更好进行噪声控制。在建立准确的布风器内部流道模型后，通过声比拟法主要采用声比拟模型方法对布风器气动噪声进行求解获得相关噪声数据，并以宽频噪声模型作为声比拟模型的补充，经过降噪处理后可以更好的确保舱室的舒适性与安静程度。
5.申请号为cn202011549822.7的发明专利《便于调节出风方向的布风器》提出了一种可以改变送风方向的布风器，但并没有涉及布风器的气动噪声影响；申请号为cn201510227007.1的发明专利《隔离式消音布风器》，提出了一种隔离消声式布风器，但其并没有具体测定布风器的噪声强度，也没有提供布风器噪声的预测方法。


技术实现要素：

6.本发明目的是为了预测和模拟新型布风器内部气动噪声的声源位置与噪声强度，获得布风器内部气动噪声的传播规律，为布风器优化设计提供数据支撑。本发明通过数值模拟方法预测噪声声源位置，通过模拟传感器位置，测量布风器在人生活工作环境下的噪声强度。
7.为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
8.一种布风器内部流道气动噪声强度与传播规律的数值模拟方法，具体包括如下步骤：
9.步骤一：根据布风器的结构尺寸，使用三维建模软件建立布风器几何模型；
10.步骤二：将所得到的布风器几何模型导入ansys软件进行内流道抽取与网格划分，得到网格划分后的布风器内部流道模型；
11.步骤三：使用ansys网格划分完成的布风器内部流道模型，根据布风器的工作状态，设置边界条件，通过fluent进行数值模拟，得到气体在布风器内部流道的流动状态的数值模拟结果；
12.步骤四：使用ansys fluent中的acoustic模块对气体在布风器内部流道的气体的流动状态进行声学分析，得到布风器内部流道气动噪声数值模拟结果；
13.步骤五：对得到的布风器内部流道气动噪声数值模拟结果进行分析，通过分析获得布风器内部流道气动噪声声源分布状况与各个频率的噪声强度；根据分析的气动噪声分布状况和各个频率噪声强度的结果，进行气动噪声强度云图与各个频率噪声强度的绘制，从而预测得到布风器在工作过程中的气动噪声所导致的结果。
14.进一步优选方案，步骤一所述的建立布风器几何模型的具体内容和方法是，通过三维建模软件solidworks进行布风器的模型建立，使用拉伸、旋转和切除构建布风器的模型。
15.进一步优选方案，步骤二所述的进行内流道抽取与网格划分的方法和步骤是：先将已经建立完成的布风器模型文件导入ansys中，通过geometry模块，构建半球模型后使用布尔运算进行声场模型的建立，然后将得到的声场模型导入ansys中的mesh模块进行网格划分，通过mesh中的相关设置，使用总厚度边界层设置，将布风器模型的边界层进行网格细化设置；再将外部声场使用六面体网格设置，将网格尺寸设置为1mm，进行布风器外部声场的网格划分；通过精细高质量的网格划分保证数值模拟计算的精确性。
16.进一步优选方案，步骤三是通过选择进行数值模拟计算的模型，保证计算的可信性；在使用ansys中的fluent进行计算时，通过多个模型的对比，选择k-ε模型计算布风器内部空气流动状态，得到的流场数值模拟计算结果；确定计算模型后，通过设置不同的边界条件，将不同工况下的流场通过数值模拟计算得到结果。
17.进一步优选方案，步骤四是使用ansys fluent中的acoustic模块对各个工况下流体流动状态结果进行分析，通过使用les模型对所得的流场进行分析，通过对气体流动状态的分析，从而确定各个工况下的气动噪声声源与噪声强度，进而达到预测与控制噪声的目的。
18.进一步优选方案，步骤五是通过分析内部流道中的气体流动状态得到的噪声声源与声压压强的结果，通过ansys的后处理模块，从而具象化布风器在工作状态下气动噪声的产生情况和数据化气动噪声的声压强，从而直观的可以让设计人员了解气动噪声的分布状况与各个频率的强度，从而对布风器流道进行降噪优化
19.本发明的优点和有益效果：
20.本发明通过进行气动噪声声源和噪声强度的模拟与预测，可以精确的得到布风器在工作过程中，由于涡旋的形成所产生气动噪声，这种新型的噪声预测方法可以研究布风器工作过程中噪声产生的机理，认识到降噪减噪的方法，还可以使用于不同型号的布风器，在设计过程中对布风器的气动噪声有具体准确的认识，并通过降噪方法使设计的布风器达到imo制定的《船上噪声等级规则》的标准。
附图说明
21.图1为本发明的方法流程图，
22.图2为布风器结构三视图，其中图(a)为主视图，图(b)为左视图，(c)俯视图(d)为(a-a剖面图)，
23.图3为布风器内部流道图，
24.图4布风器外部声场图，
25.图5为布风器的工作状态下的压力云图，其中图(a)为中心垂直段压力云图，图(b)为纵截面压力云图，
26.图6为布风器气的动噪声云图，
27.图7为布风器气各个频率的声压级。
具体实施方式
28.下面结合附组图和具体实施方式对本发明的技术方案进行进一步的说明。
29.参见图1，一种布风器内部流道气动噪声强度与传播规律的数值模拟方法，具体包括如下步骤：
30.步骤一：按照cad图纸的尺寸，采用三维建模软件solidworks建立布风器几何模型，为了简化计算模型，流道内相关的控制线路在建立过程中进行忽略，而对内部其他相关的控制元器件进行模型建立；
31.步骤二：使用ansys的geometry模块对布风器结构进行内部流道的抽取以及外部声场的建立，在geometry模块中，使用布尔运算抽取与画出布风器内部流道以及外部声场。将抽取后得到的布风器内部流道及外部声场模型使用ansys的mesh模块进行网格划分。为了获得准确的空气稳定工作时在布风内部流道的流动状态，划分的网格结构要求在流动边界处进行结构化加密，而其他处的网格并不用进行具体的加密，从而准确快速的得到数值模拟计算的结果；
32.步骤三：ansys的fluent中有多种求解模型，为了确保要进行的数值模拟的准确性，通常进行多个模型进行数值模拟，通过分析结果，选择符合工况的计算模型，经过数值模拟后选择标准k-ε的方程组进行数值模拟计算。使用布风器进行数值模拟，通过数值模拟将布风器各个工况的情况描述出来，布风器在工作过程中为了适应不同工作环境，通常有不同的工作挡位设置。为了模拟这些不同的工况，通常要进行不同的边界条件设置，得到气体在布风器内部流动的结果。
33.步骤四：布风器内部流道的气动噪声通常与内部空气流动的结果有关，由于气动噪声的产生多是由于湍流中产生测涡旋而产生的，故完成内部的流体计算后，利用ansys的声学模块进行分析，分析空气流动过程中所产生的气流涡旋，从而获得布风器在工作过程中所产生的气动噪声的声源。通过选择les模型利用此模型进行噪声频谱与噪声强度的数值计算，得到数值计算结果
34.步骤五：对计算得到的布风器内部流道气动噪声数值模拟结果进行分析，通过分析获得布风器内部流道气动噪声声源分布状况与噪声强度。根据分析的气动噪声分布状况和噪声强度的结果，进行气动噪声强度云图与各个频率噪声强度的绘制，从而预测得到布风器在工作过程中的气动噪声所导致的结果通过分析内部流道中的气体流动状态得到的
噪声声源与声压压强的结果，从而直观的可以让技术人员了解气动噪声的分布状况与强度。
35.具体实施例：
36.通过三维软件solidworks建立如图2-图3所示的布风器结构，通过拉伸、旋转和切除操作后构建布风器的三维几何模型，将生成的几何模型文件导为.x_t格式后进行内流道抽取与外部声场生成。
37.将建立完成的布风器几何模型文件导入ansys中的geometry模块，使用几何图形工具构建一个四分之一圆，使用旋转工具生成半球体。选中半球体和构建的布风器模型进行布尔减法运算，完成之后得到布风器内流场和外部声场的几何模型，如图4所示。
38.将得到的几何模型导入mesh中，通过mesh模块将得到布风器内部流道模型与外围声场模型进行网格划分，在进行网格划分时，网格默认尺寸选择1mm，在设置网格质量时选择高质量网格。在进行边界层设置时，采用总体边界层厚度设计，边界层层数为5层，生长率为1.2，由此可以得到加密的边界层。而外围的声场部分使用六面体网格，用来保证接下来的空气流动数值模拟精度与气动噪声的数值模拟精度。
39.cuk-350布风器拥有多种工况，故在进行气体流动的数值模拟时要进行各种边界条件的设置后进行计算，而布风器内部流道的空气流动一般为低马赫数的湍流流动，故采用标准k-ε的方程组进行数值模拟的运算求解。设置各个工况下的边界条件，布风器的入口风量为100m3/h到350m3/h每个50m3/h设置一个工作风量档位，故入口风量的边界条件按照入口风量的工况进行边界条件的设置。而出口位置一般为对应的地方为船舱，故出口位置的相对压强设置为大气压。在计算精度误差上设置计算残差值达到10-4
时，得到计算完成后的结果。得到的布风器350m3/h工况的气压云图如图5-图7所示。
40.将计算完成后的结果使用ansys fluent中的acoustic模块对得到的流体结果进行分析，利用fw-h进行气动噪声的声学计算，如式(1)
[0041][0042]
式中ρ'为空气流动密度；
[0043]
ui、vi和vj为各个方向上气流速度；
[0044]
δ
ij
为方向张量；
[0045]
δ(f)为狄拉克三角函数；
[0046]
p
ij
为气压张量方向；
[0047]
τ
ij
为粘性应力张量；
[0048]
c0为当地声速。
[0049]
通过将fluent得到的气体流动的数值模拟数据，在声学模块中，选择les模型，通过此模型将得到的流动的数值模拟计算结果代入，得到声学模拟仿真的结果。
[0050]
将得到的噪声声源强度通过fluent的后处理模块进行处理得到布风器内部流道气动噪声强度的分布图。从而得到布风器在稳定工作状态下的布风器气动噪声声源强度的声压差云图。由于人耳对高频段的噪声更加敏感，在分析气动噪声强度的时候也应主要分析高频段噪声的气动噪声强度，通过模拟结果得到高频段气动噪声声压强度图，从而对比得到优化后的结果。
[0051]
综上，本发明通过将布风器内部流道和外围声场进行网格化划分，准确的预测了布风器在工作过程中，在不同运行参数(进口风量不同)条件下，得到布风器内部流道，及其对所工作的环境造成的噪声影响，在气动噪声的工作过程中的气动噪声声源分布与气动噪声强度与空气流动时的关系，可用于布风器设计时对新结构的气动噪声的预测，为布风器设计时提供准确的气动噪声影响与噪声强度。
[0052]
除上述实施例外，本专利还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本专利权利要求的保护范围。