1、Copyright Free Field TechnologiesFFT ACTRANACTRAN 在空調行業的應用李奇 博士2Copyright Free Field TechnologiesACTRAN在空調行業的應用 ACTRAN軟件簡介 ACTRAN在空調行業的應用3Copyright Free Field TechnologiesFree Field Technologies 2019，由Jean-Pierre Coyette、Jean-Louis Migeot教授創立 總部在比利時布魯塞爾，法國圖盧茲、日本東京、美國底特律設有分部 2019-2019，雷諾, 標志, 菲亞特, 通用

2、汽車, 空中客車, 殼牌石油, 德國Lloyd船級社等十一家大型企業，共同資助FFT開發ACTRAN軟件專業的聲學仿真工具（ Actran/Acoustics ）:振動聲學 (Actran/Vibro Acoustics, Actran for Nastran)流動聲學 (Actran/TM, Actran/DGM, Actran/Aero Acoustics)前后處理器 (Actran/VI) 效勞: 培訓, 技術交流, 工程咨詢, 特別開發 科研:FFT參加眾多科研項目，從風機噪聲、螺旋槳噪聲、輪胎噪聲、航空發動機噪聲到高性能計算以及產品的聲學設計等。4Copyright Free Fie

3、ld TechnologiesLocations5Copyright Free Field TechnologiesSome of our Aerospace Customers6Copyright Free Field TechnologiesSome of our Automotive Customers7Copyright Free Field TechnologiesSome Other References8Copyright Free Field TechnologiesThe ACTRAN software suiteACTRAN Vibro-AcousticsACTRAN Ae

4、ro-AcousticsACTRAN TMACTRAN AcousticsACTRAN DGMACTRAN VIACTRAN for NASTRAN9Copyright Free Field TechnologiesACTRAN Acoustics 聲學仿真工具 聲學有限元/無限元 聲源: 點聲源, 平面波, 管道模態, 結構振動 非均質流體(密度和溫度梯度) 精確模擬管道聲學問題的邊界條件(解析解) 更多的功能: 傳遞矩陣法, 不匹配網格, 特殊單元類型 典型應用 管道中聲傳播, 障礙物衍射 振動結構輻射噪聲 高性能求解器，并行技術Exhaust MufflerDiffraction w/

5、flowPowertrain Radiation10Copyright Free Field TechnologiesACTRAN VibroAcoustics 振動聲學仿真工具 Actran/Acoustics + a standard structural solver 結構與聲學的求解完全耦合 豐富的有限單元與材料庫: 聲學有限元與無限元 粘彈性梁單元、殼單元與實體單元 復合材料單元、薄殼單元，允許考慮預應力作用 (*) 多孔與多孔彈性單元 壓電材料單元，支持換能器、聲納與噪聲主動控制模擬 (*) 真實的激勵方式: 聲學，運動學與動態激勵 隨機激勵：湍流邊界層、擴散聲場、相關激勵，得到平

6、均值、標準偏差、包絡等LoudspeakerSide window transmissionMuffler Radiation11Copyright Free Field TechnologiesACTRAN AeroAcoustics 寬帶流致噪聲仿真工具 特性： 支持大多數的CFD軟件，并經過大量實驗驗證； Lightill 聲類比、Mhring 聲類比； 在有限元網格上可以定義邊界條件： 任何邊界條件都可使用 ! 這是與其他處理方法(如Curle, FWH or BEM)相比，最大的區別！ 可以與VibroAcoustics聯合計算 客戶：Daimler, BMW, VW, Delphi

7、, Visteon, John Deere, Brothers, PSA.風扇噪聲空調管道與實驗結果比較12Copyright Free Field TechnologiesACTRAN VI ACTRAN各模塊的前后處理器 利用其他CAE工具創建的網格，建立ACTRAN分析模型 提供腳本化語言編輯功能 方便快捷的后處理功能 云圖、頻譜曲線、瀑布圖、指向性曲線 自動計算全局量 從云圖結果提取場點響應 Plt2audio：將頻譜曲線轉換為聲音文件Model creation and validationAdvanced post-processingFRF Display Tool13Copyr

8、ight Free Field Technologies空調噪聲源構成 空調所產生的噪聲包括機械噪聲和氣動噪聲。 空調器室內機運轉時所發出的噪聲主要成分是貫流風機風道系統運行時產生的氣動噪聲，包括氣流的旋轉和渦流噪聲。 空調室外機激勵來自壓縮機和風扇電機，它們在運行時會對結構產生強度、振動和噪聲等問題。分析空調室外機噪聲源，涉及到的問題相當復雜。 固體之間的振動傳遞； 流體之間的噪聲傳播； 每個零部件既可單獨發出噪聲，又可因為共振疊加的作用而發出噪聲。 前面板、左側板和頂蓋等箱體部件，由于面積較大，在噪聲的輻射下，從而被噪聲源激發共振，產生噪聲。14Copyright Free Field T

9、echnologiesACTRAN在空調行業的應用 ACTRAN軟件簡介 ACTRAN在空調行業的應用 消聲器 排氣管設計 壓縮機結構聲學優化 風扇噪聲 管道噪聲Copyright Free Field TechnologiesFFT ACTRAN空調壓縮機消聲器聲學分析16Copyright Free Field TechnologiesACTRAN ModulesACTRAN Aero-AcousticsACTRAN TMACTRAN DGMACTRAN VIACTRAN for NASTRANACTRAN AcousticsACTRAN Vibro-Acoustics17Copyrigh

10、t Free Field Technologies空調壓縮機消聲器聲速172.3m/s媒質密度77.35kg/m3出口端無反射入口段聲壓0.2N/m, i.e.80dB出口端流速平均值 16.92m/s Flow distributionINLETOUTLETINLETOUTLET18Copyright Free Field TechnologiesCase 1 無流條件 傳遞損失傳遞損失123456123456CPU time is equal to few minutes, with a frequency step equal to 5Hz19Copyright Free Field T

11、echnologiesCase 2 媒質流動的影響 傳遞損失20Copyright Free Field TechnologiesACTRAN在空調行業的應用 ACTRAN軟件簡介 ACTRAN在空調行業的應用 消聲器 排氣管設計 壓縮機內部結構優化 風扇噪聲 管道噪聲Copyright Free Field TechnologiesFFT ACTRANReduction of Discharge Gas Pulsation of HVAC Compressor22Copyright Free Field Technologies雙渦圈渦旋壓縮機23Copyright Free Field T

12、echnologies 強制性干預方法 當壓縮機100%功率運行時，控制排氣管路的脈動壓力 止回閥仍然有較高的脈動壓力 影響產品的可靠性 可選擇的解決方案 增加排氣管區域容積 原始容積: 0.4 L 改型1：增加容積到4.4L目的 降低改型1使用的4.4L容積 限制 尺寸 (花費，制造工藝) 重量 脈動壓力的衰減 內部壓力如何控制排氣噪聲?24Copyright Free Field Technologies幾何形狀 模擬6種設計結構 與實驗結果比較25Copyright Free Field Technologies脈動響應: 腔體容積大小影響分析26Copyright Free Field

13、 Technologies計算結果 聲壓云圖27Copyright Free Field Technologies總結 空腔容積可以降低到1.4 L 考慮到排氣沖擊的頻率成分主要是100Hz，因此形狀的影響很小 可以自由的設計空間 可以滿足重量控制、形狀、工程造價等其他方面的訴求 止回閥產生非線性 150 Hz28Copyright Free Field TechnologiesACTRAN在空調行業的應用 ACTRAN軟件簡介 ACTRAN在空調行業的應用 消聲器 排氣管設計 壓縮機結構聲學優化 風扇噪聲 管道噪聲29Copyright Free Field TechnologiesACTR

14、AN ModulesACTRAN Aero-AcousticsACTRAN TMACTRAN AcousticsACTRAN DGMACTRAN VIACTRAN for NASTRANACTRAN Vibro-Acoustics30Copyright Free Field Technologies壓縮機結構聲學優化“Global Acoustical Finite-element simulation of scroll compressor noise from internal sources”，Philippe Dugast, International Compressor Engi

15、neering Conference，2019.研究目標：改善結構特性，降低噪聲幾何、部件、部件之間的連接不預測壓縮機內部噪聲源的產生機理以及傳播利用有限元方法模擬聲音傳播，可以考慮結構部件的振動效應構造：結構方程流體：聲學波動方程建立壓縮機完整模型，進行聲學分析。31Copyright Free Field Technologies 研究對象：渦旋式壓縮機 耦合所有內部結構，考慮以下問題： 鋼板之間的焊接、螺栓的連接 油、制冷劑 固、液、氣體區域完全耦合 橡膠底座，模擬壓縮機放置在地面 壓縮機外使用半橢球體，模擬外部空氣域 結構部件占整個模型的50%，共26841節點，101123網格仿真模

16、型簡化說明內部結構外部殼體32Copyright Free Field Technologies 輸入 壓縮過程中的壓強載荷 主軸軸承上的力載荷 輸出 流體中的聲場云圖 輻射聲功率輸入與輸出設置33Copyright Free Field Technologies輻射聲功率級比較34Copyright Free Field Technologies聲貢獻量研究 研究壓縮機的主要聲源35Copyright Free Field Technologies樣機模型研究 1/3倍頻程聲功率級36Copyright Free Field TechnologiesACTRAN在空調行業的應用 ACTRAN

17、軟件簡介 ACTRAN在空調行業的應用 消聲器 排氣管設計 壓縮機結構聲學優化 風扇噪聲 管道噪聲37Copyright Free Field TechnologiesACTRAN ModulesACTRAN VibroAcousticsACTRAN AeroAcousticsACTRAN TMACTRAN AcousticsACTRAN DGMACTRAN VIACTRAN for NASTRAN38Copyright Free Field Technologies氣動聲學分析方法特點與不足特點與不足方法 1直接CAA方法 2 混合方法CFD/ACTRAN方法 3 混合方法（F-WH、BEM

18、）方法4 湍流模型計算資源最多一般一般最少最少反射效應聲透射結構聲波對流體的作用求解類型瞬態瞬態瞬態穩態穩態精確性精確性好好好好好好有限制配合Vibro-Acoustics模塊可以進行流動-振動聲學一體化分析！39Copyright Free Field TechnologiesACTRAN AeroAcoustics aero-acoustics 特性 與 CFD 軟件的接口 Lightill 聲源項 Mhring 聲源項 需要 ACTRAN Acoustics作為基礎 應用: 風扇噪聲 環控系統管道噪聲40Copyright Free Field TechnologiesIntroduct

19、ion Actran/Aeroacoustic 能夠預測湍流噪聲 從非穩態 CFD 計算結果使用諸如 Lighthills 聲類比或 Mhrings 聲類比方法，Actran 計算氣動噪聲源以及聲音的傳播 研究對象包括: 環控系統管道噪聲 風扇噪聲 湍流所產生的噪聲 可以與 vibro-acoustic 模塊結合，研究流動-振動聲學問題41Copyright Free Field TechnologiesLighthills 聲類比 CFD 計算(URANS, LES, DNS, ) 計算流場 計算氣動聲源 使用 Lighthills 聲類比 使用 Mhrings 聲類比Source doma

20、in Ws(quadrupoles/dipoles)CAA domain W(ACTRAN, FEM)NRBCat GeGsWaGeSolid boundary at Gs42Copyright Free Field TechnologiesLighthills 聲類比: 基本思想 從流體動力學方程推導 使用盡可能少的假設 將方程轉化為聲學波動方程形式，聲源歸整到方程右手項 a 聲學變量，聲源與 r,u,v,w,p 相關 在有限元網格內定義各種邊界條件 支持任何邊界條件! 這是與其他方法最大的區別 (Curle, FWH or BEM)43Copyright Free Field Techno

21、logies分析步驟 CFD與聲學計算是解耦的 基于Lighthill或Mhring聲類比 插值技術(積分插值法). 聲學網格只需要遵循聲學計算標準: 無需優化聲源區網格 ACTRAN 可以直接讀取 CFD 文件44Copyright Free Field Technologies 將“Porous” Ffowcs-Williams & Hawkings 思想應用于有限元方法 旋轉機械外部區域使用 ACTRAN Aero-acoustics 旋轉部件內部區域將使用專用的邊界條件來考慮 基于 Lighthills 方程，增加 Kirchhoff 理論與之類似: 藍色旋轉葉片區域利用橙色邊

22、界求解 與電磁學 (高斯理論), 光學.風機噪聲Rotor blades: not in the computational domainComputational domainLighthill surface45Copyright Free Field TechnologiesHVAC 離心風機Fan Noise 2019: Presentation of a CAA formulation based on Lighthills analogy for fan noise - S. Caro, Y. Nishio, R.Sandboge, J. Iyer46Copyright Free

23、Field Technologies環控軸流風扇 不同的熱交換機 不同的傳聲器; 標準測試= 測試結果取平均值AIAA 2019-2692: Validation of a CAA formulation based on Lighthills Analogy using AcuSolve and Actran/LA on an Idealized Automotive HVAC Blower and on an axial fan - S. Caro, R.Sandboge, R. Ambs, K. Washburn47Copyright Free Field TechnologiesACTRAN在空調行業的應用 ACTRAN軟件簡介 ACTRAN在空調行