参考文献：Bellelli F, Arina R, Avallone F. On the impact of operating condition and testing environment on the noise sources in an industrial engine cooling fan[J]. Applied Acoustics, 2025, 227: 110252.
期刊等级：中科院二区
第一作者单位：意大利 都灵理工大学 机械与航空工程系
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发动机冷却风扇的噪声是一个与制造商相关的问题。众所周知，工作点和测试环境都会影响噪声的产生机制，因此测量到的噪声可能会发生变化。因此，在一个有实验数据的参考工业风扇上，采用基于格-玻尔兹曼方法的高保真数值模拟对这些方面进行了研究。分析了自由吹气和最大效率两种工况，以及三种测试环境:(i)常规半消声室，(ii)理想自由场环境，(iii)类似消声液压设施的测试环境。对于情况(i)和(ii)，风扇之间没有压力差，而对于情况(iii)，风扇之间可以施加压力差。对于后者，分析了将风机上下游两个区域隔开的全反射、全吸收壁的影响。在自由吹风条件下，叶片上的气流在很大程度上是分离的。当叶片通过阻塞区域时，由于结构所需的蜂窝状结构的存在，它会经历一个突出的负载驼峰。因此，在沿旋转轴的听者处的远场噪声具有高度的音调，在叶片通过频率音调处具有清晰的峰值。当同一台风机在自由场环境下进行测试时，发现由于消声室内存在流动再循环，在叶片通过频率的高次谐波处存在声压差异。在给定的转速下，在风扇上放置薄壁可以增加质量流量，从而导致叶片上更严重的流动分离，因此叶片通过频率处的音调突出度更高。如果将薄壁建模为吸声壁，则整体声压级下降约2dba。当风机在其最大效率下进行测试时，即在风机上的非零压差时，发现堵塞效应不太相关。主要的噪声产生机制是由风扇两端的压差与叶顶前缘相互作用引起的回流涡。![]()
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测试汽车发动机冷却模块。风扇的主要组成部分用不同的颜色表示。(a):散热模块。(b): Tip clearance detail
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半消声室中自由吹风条件下计算域中11个VR区域的详细图。其他模拟情况的计算网格没有显示，因为它们是相同的
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(a):用于自由吹风情况的自由场域示意图，以与半消声环境进行比较(半消声和自由场情况见下文)。(b):用于评估薄壁和操作条件影响的自由场域草图(自由场-壁，自由吹风和最大效率在以下文本中的情况)
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半消声室结构和自由吹气条件的网格独立性研究。(a):数值模拟计算的质量流量与实验计算的质量流量之比。(b):数值模拟计算的扭矩与实验扭矩之比。“Inf”值是通过理查森外推法获得的
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半消声室构型和自由吹风条件下远场声学的网格独立性研究与实验数据比较。(a):风机上游各测点的平均结果在2.15𝐷得到的声压级(dBA)。(b): dBA在第一次BPF时声压声级的数值与实验结果的差异，以及声压声级的差异。OSPL的计算频率范围为𝑓∕变数<s:2>∕变数<s:2>∕变数<s:2>
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自由吹风条件下三种构型叶片负荷波动历史。波动是根据信号在过去10圈内的平均值来定义的。(一):消声。(b):自由场。(c):自由场-墙
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带流线的平面上的平均轴向速度，其位置为:expei∕𝐷= 0。(一):消声。(b):自由场。(c):自由场-墙
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在自由吹风条件下，风机上游的平均轴向速度分布，在≥𝐷= - 0.12处，作为信号的方位平均值。范围𝑟∕𝑅≤0.4已从图形的x轴上移除，与虚线相对应，因为轮毂表面覆盖了该径向范围。1≤𝑟∕𝑅≤1.2的范围显示在图的右上方。
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在某一平面上的平均轴向速度(≥≥𝐷)=−0.06。风扇已从可视化中移除。(一):消声。(b):自由场。(c):自由场墙
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在半径为𝑟∕𝑅= 0.82和Λ2 =−1081∕𝑠的环上，动叶与静叶间流体体积的瞬时轴向速度场。(一):消声。(b):自由场。(c):自由场-墙。裹尸布的表面和墙壁已经从可视化中移除。
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本研究报告了一个全面的数值调查测量设置如何影响远场噪声测量时，测试一个工业发动机冷却风扇。研究了两种操作条件。对于该范围，在自由吹风条件下进行测试，将半消声室中的常规测试与理想的自由现场测试环境和放置墙壁的环境(如理想的消声气动设施)进行比较。隔离墙被建模为全反射和全吸声。在自由吹风条件下的半消声室中，主要噪声源与蜂窝状结构引起的局部流动阻塞有关，这种阻塞改变了叶片负载，导致叶片通过频率处远场噪声谱出现音调峰值。在这种情况下，叶片上的气流主要被分离。当半消声室被移除，过渡到自由场环境时，已经观察到叶片通过频率在远场声学光谱中的谐波降低，以及在一些次谐波峰中。这种减少是由于没有再循环，强调了环境条件对噪音产生的重要性。薄壁的放置增加了通过叶轮的质量流量，导致叶片上的流动分离更加严重，因此叶片负载波动幅度更高，从而增加了产生的噪声。壁面大大减少了下游和上游之间的流动再循环，叶片负荷驼峰随之下降到𝑓∕BPF=0.05。最后，完全吸收壁和完全反射壁对流场的影响几乎可以忽略不计，而对远场声学的影响很大。在风机最大效率点，在风机上引入压差，在风机环区产生静止的再循环涡成为主要的噪声产生机制。旋涡与叶尖前缘相互作用，导致声学频谱在所有感兴趣的频率上显示更高的宽带内容，而在BPF处显示较低的音调。叶片上的流动分布增强了这一点，叶片上大部分是附著的，随后的非定常加载时间变化也增强了这一点。从反射薄壁到吸收薄壁的转变所带来的声压级下降在非设计配置(自由吹风)中更为明显，这是与设计情况(最大效率)相比的不同声辐射模式的结果。此外，在BPF的第一谐波的音调被看到。声学案例汇总超链接： 声学专辑
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