空調壓縮機舌簧閥噪聲問題研究方案李奇博士內容ACTRAN軟件簡介空調壓縮機舌簧閥噪聲問題研究方案ACTRAN在空調行業的應用ACTRAN軟件背景世界上三款知名的聲學軟件ACTRAN，比利時FFT公司Sysnoise（現在的VirtualLab）,比利時LMS公司VA-ONE，法國ESI公司（由ESI公司收購的Rayon和AutoSEA整合而成）其中Sysnoise和ACTRAN均由現在的FFT公司Jean-LouisMigeot教授和Jean-PierreCoyette教授創立ACTRAN軟件背景FFT和ACTRAN創立的背景兩位教授開發的Sysnoise被LMS收購后，1998年選擇離開！11家大公司于1999～2001年組成了ACTRAN聯盟，資助兩位教授開發ACTRAN，并成為第一批客戶雷諾、寶馬、標致、菲亞特、通用汽車等

整車企業立達（Rieter）、哈金森（Hutchinson）

汽車配件公司空客

航空殼牌石油、Glaverbel

能源、材料德國勞埃德船級社

船舶FFT參加眾多科研項目，從風機噪聲、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。LocationsSomeAerospaceCustomersSomeAutomotiveCustomersSomeOtherReferences海基盛元聲學部門咨詢項目C919飛機典型結構、空調系統、機翼聲學設計與優化高速列車振動、氣動噪聲分析核工業管道共振腔氣動噪聲分析、聲疲勞分析高速電梯轎廂氣動噪聲影響分析…培訓與教學聲學課程噪聲分析培訓ACTRAN軟件培訓請關注TheACTRANsoftwaresuiteACTRANVibro-AcousticsACTRANAero-AcousticsACTRANTMACTRANAcousticsACTRANDGMACTRANVIACTRANforNASTRANACTRANAcoustics聲學仿真工具典型應用管道中聲傳播聲波遇到障礙物的衍射振動結構的聲輻射作為其他ACTRAN高級模塊的基礎ACTRANVibroAcousticsACTRANAeroAcousticsACTRANTM消聲器空調系統齒輪箱聲輻射ACTRANVibroAcoustics振動聲學仿真工具豐富的單元與材料庫: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、δ相關激勵，得到平均值、標準偏差、包絡等高性能求解器與并行處理揚聲器側窗聲傳遞殼體振動輻射噪聲ACTRANAeroAcoustics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、M?hring聲類比積分插值法支持VibroAcoustics聯合仿真客戶：

Daimler,BMW,VW,Delphi,Visteon,JohnDeere,Brothers,PSA...風扇噪聲空調管道與實驗結果比較ACTRANVIACTRAN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ModelcreationandvalidationAdvancedpost-processingFRFDisplayToolACTRAN在空調行業的應用ACTRAN軟件簡介空調壓縮機舌簧閥噪聲問題研究方案ACTRAN在空調行業的應用項目背景壓縮機排氣過程中，舌簧閥閥片受氣流沖擊運動，在循環周期中與底座發生撞擊。噪聲成因包含排氣過程產生的氣動噪聲以及閥片與底座的撞擊聲。項目規劃項目預期成果閥片的動態特性閥片開啟時，流場瞬態模擬閥片打開時，氣流噪聲仿真計算閥片關閉時，閥片撞擊底座的噪聲仿真計算目的驗證ACTRAN軟件在解決實際工程問題中的應用，及結果可靠性舌簧閥噪聲的改進初步方案根據噪聲源屬性與特點，將舌簧閥噪聲問題，分解為兩個子問題：氣動噪聲：排氣過程，閥片開啟時產生的氣動噪聲振動噪聲：閥片關閉時，撞擊底座產生的噪聲問題1-氣動噪聲模擬舌簧閥開啟時，氣流流經閥片產生漩渦，脫落的渦源形成較強的氣動噪聲。噪聲源各頻率成分的強度與流動的關系各異：在低頻區域，隨渦流的增大，氣動噪聲聲壓增大；而高頻域中，氣動噪聲聲壓級主要是由流速的變化決定。ACTRANModulesACTRANVibroAcousticsACTRANAeroAcousticsACTRANTMACTRANAcousticsACTRANDGMACTRANVIACTRANforNASTRAN氣動聲學分析方法特點與不足方法1直接CAA方法2

混合方法CFD/FEM方法3

混合方法（F-WH、BEM）方法4

湍流模型計算資源最多一般一般最少反射效應√√××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精確性好好好有限制Aero-Acoustics配合Vibro-Acoustics模塊可以進行流動-振動聲學一體化分析！ACTRANAeroAcoustics包含所有針對流致噪聲仿真分析的高級屬性與CFD軟件的兼容Lightill聲類比M?hring聲類比應用:空調系統噪聲螺旋槳湍流噪聲Lighthill’sAnalogy:Sketch應用CFD方法(如URANS,LES,DNS,…)計算流場聲源利用流場的結果求解使用Lighthill聲類比方法將流體力學方程整理為波動方程形式SourcedomainWs(quadrupoles/dipoles)CAAdomainW(ACTRAN,FEM)NRBCatGeGsGeSolidboundaryatGsLighthill聲類比方法從流體力學方程推導使用盡可能少的假設整理成波動方程形式，右側為聲源項：

a

為聲學變量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,FWHorBEM)相比，最大的區別Lighthill/M?hring聲類比LighthillAnalogy線性聲場，流場與聲場沒有耦合低馬赫數(Ma<0.2～0.4)高雷諾數(Re~106)均勻介質聲傳播M?hringAnalogy非線性聲場，對流影響聲場較強平均流動高雷諾數(Re~106)非均勻介質聲傳播計算步驟CFDCode湍流CFD模擬基本變量壓強,速度,密度,etc…iCFD將CFD基本量轉換為聲源

將聲源用積分法插值入聲學網格

執行傅里葉轉換ACTRANAero-Acoustics

計算iCFD得到聲源的傳播

導出預設場點的聲場云圖和聲壓值Actran/VIActran結果的后處理從CFD結果到聲學結果...ACTRAN-iCFD提取流動噪聲源NyquistTheorem

原始連續時間變量q(t)

離散采樣時間序列q(tk)

q(t)~q(tk)ifΔt<1/(2fmax) fmax=5000Hz

Δt<0.0001sCFD非定常流場采樣 fmin=1/(NΔt) fmax=1/(2Δt) Δf=fmin fmin=50Hz fmax=5000HzN=200,Δt=0.0001s積分插值法VS線性插值法線性插值法:積分插值法:CA節點(稀疏)?信息丟失從CFD網格到CA節點的線性插值CFD網格(致密)?CFD節點(致密)?CA節點(稀疏)?從CFD節點到CA網格的積分插值所有信息都被利用，避免信息丟失!氣動噪聲分析步驟完整的氣動噪聲分析流程包括CFD計算與CAA計算，詳細步驟如下：建立CFD分析模型，利用URANS、LES或DES方法提取非定常流場；建立ACTRAN聲學分析模型；利用ACTRAN/iCFD技術，將CFD基本量利用lighthill聲類比方法轉換為氣動噪聲源，并使用積分法插值入聲學網格；利用ACTRAN/iCFD技術對聲源進行傅里葉變換，將時域信號轉換為頻域信號；計算舌簧閥產生的氣動噪聲。輸入參數參數名稱說明舌簧閥CAD三維數模，包含前后流域（igs或stp格式）用于劃分聲學網格，建立聲學模型進口流量流體分析需輸入的流體材料屬性流體密度出口總壓流體密度聲學分析需輸入的流體材料屬性聲速聲學計算頻率范圍根據感興趣的頻率范圍、步長，確定CFD計算時間步、時間步數量結果輸出形式頻響函數(頻譜曲線)計算域內流體區域任意點聲壓、聲壓級計算域外遠場任意點聲壓、聲壓級聲功率級云圖計算域內聲源強度時域、頻域分布計算域內流體區域聲壓、聲壓級計算域外遠場聲壓、聲壓級初步方案根據噪聲源屬性與特點，將舌簧閥噪聲問題，分解為兩個子問題：氣動噪聲：排氣過程，閥片開啟時產生的氣動噪聲振動噪聲：閥片關閉時，撞擊底座產生的噪聲問題2-閥片撞擊聲模擬舌簧閥閥片一端固定在底座上，閥片另一端在關閉時撞擊底座，閥片振動并輻射噪聲。由于閥片質量遠小于底座，因此兩者撞擊時底座的振動輻射噪聲小，閥片的振動幅度大是主要輻射噪聲源。ACTRANModulesACTRANAero-AcousticsACTRANTMACTRANAcousticsACTRANDGMACTRANVIACTRANforNASTRANACTRANVibro-Acoustics閥片撞擊聲模擬對于閥片撞擊噪聲分析，可以建立閥片有限元模型，使用ACTRANVibro-Acoustics模擬。邊界條件與激勵：一端施加位移約束閥片與底座碰撞部位施加分布壓力載荷或點力載荷計算一定頻率范圍內的動態響應，并研究輻射聲場。分析類型模態分析（可選）提取結構模態，判斷是否出現聲共振動態響應與輻射噪聲分析聲學無限元聲學有限元閥片載荷輸入參數參數名稱說明舌簧閥閥片CAD三維數模（igs或stp格式）劃分網格，建立聲學模型楊氏模量聲學分析需輸入的閥片材料屬性阻尼材料密度泊松比密度聲學分析需輸入的流體材料屬性聲速頻率范圍確定計算的頻率范圍、分析頻率步長頻率步長邊界條件閥片固定位置的位移約束條件點力、分布壓力載荷閥片撞擊力結果輸出形式頻響函數(頻譜曲線)閥片結構任意點的振動位移閥片整體均方振速計算域內流體區域任意點聲壓、聲壓級遠場任意點聲壓、聲壓級輻射聲功率級FRFsMapsWaterfall云圖閥片結構振動位移計算域內聲壓、聲壓級計算域外遠場聲壓、聲壓級工作進度表工作內容1周1周1周1周舌簧閥氣流噪聲

閥片撞擊噪聲ACTRAN在空調行業的應用ACTRAN軟件簡介空調壓縮機舌簧閥噪聲問題研究方案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FFT–ACTRAN空調壓縮機消聲器聲學分析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0.2Pa,i.e.80dBFlowdistributionINLETOUTLETINLETOUTLETCase1–無流條件–傳遞損失傳遞損失CPUtimeisequaltofewminutes,withafrequencystepequalto5HzCase2–媒質流動的影響–傳遞損失ACTRAN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FFT–ACTRANReductionofDischargeGasPulsationofHVACCompressor雙渦旋壓縮機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:0.4L改型1：增加容積到4.4L

目標降低改型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?幾何形狀模擬6種設計結構與實驗結果比較脈動響應:腔體容積大小影響分析計算結果聲壓云圖總結空腔容積可以降低到1.4L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>150HzACTRAN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ACTRANModulesACTRANAero-AcousticsACTRANTMACTRANAcousticsACTRANDGMACTRANVIACTRANforNASTRANACTRANVibro-Acoustics壓縮機結構聲學優化“GlobalAcousticalFinite-elementsimulationofscrollcompressornoisefrominternalsources”，PhilippeDugast,InternationalCompressorEngineeringConference，2008.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結構：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。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網格仿真模型簡化說明內部結構外部殼體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輻射聲功率級比較聲貢獻量研究研究壓縮機的主要聲源ACTRAN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ACTRANModulesACTRANVibroAcousticsACTRANAeroAcousticsACTRANTMACTRANAcousticsACTRANDGMACTRANVIACTRANforNASTRAN氣動聲學分析方法特點與不足方法1直接CAA方法2

混合方法CFD/ACTRAN方法3

混合方法（F-WH、BEM）方法4

湍流模型計算資源最多一般一般最少反射效應√√××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精確性好好好有限制配合Vibro-Acoustics模塊可以進行流動-振動聲學一體化分析！HVAC離心風機FanNoise2007:PresentationofaCA