利用风扇CFD模拟实现噪声顺应性
从冷却发动机到电子设备,随着各个行业对冷却的要求不断提高,风扇噪声已成为驱动产品开发设计决策的重要因素之一。对安静机器的需求不仅是一个性能问题,而且也是客户体验和品牌的一部分。
由于政府的规定,工业设备需要坚持最大的噪音水平,以保护工人和避免过度噪音的居住区。一般来说,风机旋转产生的噪声是设备整体运行噪声的主要贡献者。不仅仅是重型设备行业,最近转向电源的其他行业也需要对风机噪声有全面的了解。以汽车行业为例,随着汽车电气化程度的提高,需要对风扇噪声进行强有力的分析,以帮助防止过度的运行噪声。虽然电动发动机比传统的内燃机安静得多,但它们仍然需要大量的冷却。最终,挑战在于空气需要安静而有效地流动。
从时间和成本的角度来看,在暗室中进行物理测试是昂贵的,在竞争激烈和价格敏感的环境中,可能会延迟产品开发时间。通常只有在原型测试场景中才会发现风扇噪音过大,基准测试结果可能会给出误导信息,因为旋转部件的声学特性会在安装条件下发生变化。
采用基于模拟的方法
基于仿真的分析方法可以准确、快速地预测不同频率范围内不同位置的气动噪声水平。它还可以提供额外的见解,以了解噪声传播通过流动介质。与物理测试不同,基于仿真的工具可以提供总体噪声水平和对噪声源和传播路径的详细了解。牵牛星CFD™通过直接计算对流场和其他关键点,为市场提供了一种安装风扇声学的解决方案。这种虚拟方法可以显著降低失败的风险,从而节约开发成本并减少时间轴超调。牵牛星格子玻尔兹曼(LBM)求解器由于具有高保真外部空气动力学、自动啮合和高效的结果分析等功能,是理解风扇噪声的完美选择。
点击下面的视频,看看牵牛星CFD如何也可以用于农业行业。
仿真与实例测试数据的比较
在下面的例子中,在与商用卡车常用风扇转速和直径相似的情况下,对风扇的气动声学性能进行了模拟。在半消声环境中,将麦克风放置在离噪声源7米远的地方,对0.75秒的声学数据进行分析。在仿真过程中,采样频率的正确和采样的正确是非常重要的。在收集这些数据时,最大的挑战之一是机器的复杂性,因为声波可以从很多地方传播和反射。因此,直接模拟这一过程中的对流现象是全面了解风机气动声学性能最准确的过程。如下图所示,模拟结果(蓝色部分)与物理试验数据(灰色部分)吻合良好。
同样的过程也适用于暖通空调(HVAC)鼓风机。这是一种完全不同类型的风扇,通常用于汽车加热和通风系统。在这种情况下,风扇系统由大约40个叶片组成,厚度约0.5mm。如图所示,麦克风被放置在风扇总成周围,并建立了一个模拟以尽可能准确地复制测试。从图中所示的分析来看,30秒的测试数据用黑色表示,与1秒的模拟数据用红色表示比较。由于信号采样的显著差异导致平均块数的差异,我们预计仿真数据中包含的噪声比测试数据更多。该模拟的设置是为了最小化运行时间,因为人们对低于2500hz的频率特别感兴趣。随着整体声压级的增大,叶片通过频率为750Hz。
这两个例子都验证了Altair CFD可以为用户提供准确分析机器声学性能的工具,从而使在虚拟环境中设计产品成为可能,以降低声学故障的风险。为了了解更多,看这个报告.
利用图形处理器(GPU)计算能力
成功预测风扇噪声需要精确模拟旋转物体产生的湍流结构所产生的噪声。因此,运行这种性质的CFD模拟是一个计算成本很高的过程,有时需要花费几天的时间才能使用CPU计算能力完成。
然而,由于牵牛星的GPU的解决方案在美国,依靠相当于数千个CPU核的超强处理能力,就有可能以极快的速度解决这个问题。利用仅8个NVIDIA A100 gpu, Altair CFD能够在短短10到15小时内解决典型的工业尺寸风扇噪声问题。作为一个基于gpu的原生代码,Altair的Lattice Boltzman求解器非常适合NVIDIA gpu的并行架构,使得在单个服务器上执行高度瞬态的气动声学模拟成为可能。
此外,牵牛星®®无限为公司提供在云上提供GPU硬件服务的能力,如谷歌云平台。Altair的所有CFD求解器都经过优化,可在GPU集群上使用,无论规模和复杂性如何,都能实现更快、更有效的模拟。多亏了牵牛星的总承包的本地和基于云的设备,用户可以远程访问此处理能力,使公司能够动态扩展其基础设施。
利用gpu加速数值模拟可以显著提高速度和吞吐量。这意味着我们有更多的机会去探索和调整设计,基于更准确的结果更快地做出决策,从而大大缩短上市时间。利用GPU的计算能力是Altair赋予设计师权力的任务的基石之一。为了了解牵牛星如何利用GPU的能力,读这篇文章由我们的首席技术官Uwe Schramm撰写。
冷却风扇在产品设计中起着至关重要的作用。正确的设计可以避免制造商重复设计的成本,并在产品的生命周期中保护产品的热敏组件。它可以防止印刷电路板(PCB)过热,延长电子设备的寿命,或保持发动机和液压油在重型施工设备在极端条件下运行的冷却。
只有具有真实旋转几何的全解析cfd声学模型才能准确地捕捉旋转风机的瞬态气动声学现象。利用Altair的空气声学解决方案,工程师可以在减少产品开发时间、硬件和能源成本的同时提高吞吐量。
有关Altair CFD气动声学模拟的更多信息,看这个网络研讨会。