大家好，我是阿朱。Simulation，刚成为模拟秀专栏作者，这也是我的第一篇模拟科普文章。本文介绍了如何使用它ANSYS Fluent对于电子风扇效率和噪声的模拟，关键技术已显示在过程中。根据本案例过程，风扇流体的模拟可以顺利有效地进行。如有不当行为，欢迎批评和纠正。

风扇在电子产品中起着重要的散热作用，特别是电子风扇的可靠性要求翻倍，消费者不能接受定期更换风扇，电子风扇供应商不能承受成本的增加，更不能承受市场淘汰的困境，因此电子风扇的设计往往通过模拟进行早期开发。

本案例模型通过产品的要求和自身未来的发展进行了模拟分析和验证。产品设计的指标主要集中在单风扇设计上，从叶片设计到CFD性能特征预测，以及后期的噪声评估。本文包括风扇性能曲线和噪声分析过程。

1.电子风扇性能曲线分析

本例模型采用上述blower风扇。

ANSYS Fluent噪声仿真属于瞬态仿真(Transient)应注意以下工作条件和流程：

转速：3600 rpm网格数：1，662，569

第一阶段：稳态计算(Steady Flow)：

k-omega SST计算1000000的紊流模式 iterationsBroadband Noise Model

瞬时计算的第二阶段(Transient Flow)：从MRF到Mesh Motion

LES紊流模式(Large Eddy Simulation)计算500 time step (60 iterations/ time step )到动态稳定

瞬时计算的第三阶段(Transient Flow)：

LES紊流模式(Large Eddy Simulation)计算500 time step (60 iterations/ time step )随着时间的推移，捕获声压变化的数据FW-H Noise Model

通过Fluent Mesh制作Interface

如果用户想采集流程化Fluent Mesh建网格，因为New Fluent Mesh它不直接支持Interface的边界条件，因此学习者可以将MRF旋转流体区域和周围的其他计算域分为两个网格，然后在Fluent中进行Domain/Append/Append Case File(可读入*.msh)。

为了建立一个与风洞相比的环境，我们必须首先将模型处理成风洞的实验状态，如下图所示。我们建立了风扇出口的风管，然后覆盖了周围适当的空气域。

接着将MRF 旋转区及周围空气区Mesh Interfaces，连接共面位置。

第一阶段稳态计算：噪声计算不应直接从瞬态进行，因为在瞬态提取噪声数据之前，需要一段时间才能实现稳态；因此，我们需要先进行稳态计算，这样才能快速实现稳态平衡。默认动量计算和采集k-omega SST。

在空气密度部分，如果气动速度很快，比如8万转速RPM我们应该考虑采购，甚至超过数万RPM。Incompressible-idea-gas，其它工作条件可以采用Constant。

在旋转流体区检查转速和转轴设置部分Frame Motion，设置Rotational Velocity=3600 rev/min(RPM)；Rotation-Axis Direction设置风扇旋转方向，采用右手定则，姆指为轴，其余四指为叶片旋转方向。

在边界条件设置中，模型有两个主要边界，一个是风管出口，另一个是周围环境。实际上，风管出口与风洞腔相连，风洞控制出口压力；因此，Fluent软件也类似于操作。入口是一个自由的大气压边界，关键是控制出口压力的变化。当出口压力升高时，风扇流量会降低，风扇性能区线可以形成(P-Q Curve)。

动态稳定平衡的第二阶段：这一阶段涉及噪声，因此风扇必须旋转，我们将切换设置为Mesh Motion。由于噪声涡损的计算，应改为瞬态模型，并切换为LES湍流模式(Large Eddy Simulation)，当动态压力持续稳定时，进入第三阶段。

二、二。电子风扇噪声分析过程

第三阶段FWH计算噪声：在计算噪声之前，我们应该知道计算噪声的频率范围。人耳通常能听到2万的频率Hz，蝙蝠能听到的高频率是100000Hz；无响室测试规范一般采用，频率范围约为20~5000Hz。

CFD模拟移动部件的压力和速度波动通常是近场的(near field)噪声，近场位置通常是最大的噪声，大多数CFD应用只要计算域延伸可以进行近场分析和预测，远场距离对象距离，通常在CFD计算域外，近场压力和速度波动是决定远场噪声的重要因素，这些波动将成为远场噪声预测的声源。

ANSYS Fluent采用完整的噪声计算FWH, Ffowcs Williams & Hawkings model

通过FWH模型计算噪声需要特别注意网格密度和质量。我们可以知道声波的波长尺度，从声波的大小来控制网格密度。从理论上讲，波长中至少应有5个网格点。计算频率噪声越高，波长范围通常高达20个，这也是噪声计算量特别大的原因；同样，如果波长范围网格数不准确控制，准确性就会显著降低。

启动FWH噪声模型：

定义噪声源为旋转墙壁(Define Sources)：

然后定义Speaker的位置，即监控噪声的位置，在这里建立两个噪声监控位置(Define Receivers)，在风扇本体上下0.1m处。

定义时间步长。我们将计算频率达到2万Hz噪声问题，我们知道频率是时间的倒数，所以声波的行驶距离是1/20，000Hz = 0.00005s，每个声波波长上网格点的数据要精确计算，至少除以5，即DT = 0.00001s。在实践中，时间步长可能会更复杂。

由于我们在前两个阶段已经达到了动态平衡，理论上每转风扇的声压结果将是一致的，所以学习者只需要确保你想要监控的位置可以在风扇转动后传输到声压。如果监控位置太远，你需要让风扇转动更多的圆，这样波形就可以传输到这个位置。

3600RPM → 60 rev./s → 1/60 s/rev. = 0.016666s (转动一圈所需的秒数)

Number of Time Steps = 0.016666s/0.00001s = 1667

运行后的残差如下：

FFT转换

上方0.1m处噪音为 41.22 dB下方0.1m处噪音为 39.87 dB

以上内容是本次分享的全部内容。