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高科技行业气动噪声解决方案
发布时间:2020-02-27 09:31:29| 浏览次数:
以前觉得高科技行业就是一些IT公司,公司地址应该都位于张江高科科技园。现在慢慢感觉所有产品附加值高的产业都应该属于高科技行业。比如一款戴森吹风机可以卖2999元,万能的淘宝上花29.99元也可以买一个吹风机。两者价格差别100倍,因此戴森产品就是一个高科技典范。
高科技产品附加值与人的体验密不可分,人的几个主要感官中耳朵是比较挑剔的部位。生活中接触频繁的产品进行产品升级大多面临降噪这道坎,一些成功的公司如戴森把吹风机噪声做到极致,大金把空调噪声做到极致,老板把油烟机噪声做到极致,因此这些产品价格在市场上就会一枝独秀。
图1:高科技产品
气动声学 的 数学素养
要去琢磨气动声学,必须要有胸襟宽广的数学素养。气动噪声源于流体分子波动,研究气动噪声首先要去流体力学拜师学艺。以往文章《流体力学野史》讲述了该学科近几百年发展历程,可以总结成三大阶段:流体静力学>>流体动力学>>流体统计力学。

流体静力学凭借肉眼看世界,以相对静止的方式进行受力分析。从一维、三维跨越到九维,代表作分别是伯努利方程,欧拉公式和柯西动量定理。

图2:流体静力学
流体动力学凭借放大镜看世界,观察流体微团动态形变受力规律。研究变化率就需要去数学那里借一套工具:偏微分方程。纳维和斯托克斯最早用这个工具把流体动力学规律表达出来,但是没有解析解。经过雷诺、普朗特等人各种天马行空的偏微分方程改造后,近几十年结合有限体积法求解器(FVM Solver)可以得到工程广泛使用的数值解。

图3:流体动力学
流体统计力学凭借显微镜看世界,统计分子之间碰撞的受力规律。牛顿、麦克斯韦和玻尔兹曼等人在微观和宏观世界之间建立了5G网线,这根5G网线的名称叫做玻尔兹曼方程。该方程基于LBM求解器可以得到精确的瞬态数值解,PowerFLOW就是一款世界主流的LBM求解器。

图4:流体统计力学
流体动力学和流体统计力学数学形式分别是宏观尺度NS方程以及介观尺度Bolzmann方程。气动噪声本质是空气分子波动,属于介观尺度范畴。宏观FVM求解器物理尺度太大满足不了需求,介观LBM求解器可以完美求解气动噪声问题。PowerFLOW在汽车风噪等领域深耕二十多年,是目前最优秀的气动声学软件。

图5:流体力学尺度
PowerFLOW 的 工匠精神
PowerFLOW是一款天然的瞬态LBM求解器,可以同时求解流场和声场。他的计算求解过程数值耗散非常低,独特网格自动离散技术保证仿真几何与物理样机精度一致。
PowerFLOW所有发布应用都是经过原厂“工匠”刻苦打磨,相关流程和设置都汇总为行业最佳实践(Best Practice). Best Practice 进一步保证了仿真计算精度和结果分析深度。

图6:PowerFLOW性能展示
高科技行业气动噪声大多来自内部旋转风扇,统计近十年400多篇风机噪声相关文章归纳风扇噪声五大预测方法(参见《风机噪声预测技术发展》)。PowerFLOW在2010年首先提出风扇噪声第五次技术改革:直接气动噪声仿真(Direct CAA Method)。
美国EXA公司(现达索析统)近十年与全球各大风扇噪声行业顶尖公司合作,基于LBM方法的PowerFlow风扇噪声已经被证明是行业最佳解决方案。

图7:风机噪声预测技术发展
统计风扇噪声发表文章统计所属公司或国家,得到全球风扇噪声主要研发国家或公司如图所示。目前风扇噪声研发主要分布在亚洲日本和韩国,欧洲德国和法国以及北美境内美国和加拿大。其中亚洲日本汽车领域DENSO和空调领域Daikin均通过多年PowerFLOW研发投入推出行业内噪声水平最优产品。
中国高科技领域气动噪声能力需求日益增长,然而多数国内厂家前期风扇噪声相关研发投入严重不足,并没有建立完整体系和技术积累。为此SIMULIA已经完成风扇噪声技术攻关并提供行业整体解决方案。

图8:全球风机噪声研究分布
 
高科技行业 广阔场景
高科技行业包罗万象,气动噪声需求可以按照不同风扇形式来划分。下面分别列举不同风扇对应的工业产品,以及PowerFLOW仿真计算经典案例。
贯流风机在家电产品中应用广泛,例如室内空调、立式风扇、抽油烟机和空气净化器等。下图左侧所示采用PowerFLOW模拟贯流风机气动噪声,基于结果直接定位风机内部声源触发位置以及产品声场特性。

图9:贯流风机噪声应用
轴流风机贯穿行业最多,从家用风扇、吹风机,到商用空调外机以及大型通讯设备等等。PowerFLOW在轴流风机领域积累丰富成功经验,下图左侧为某叶片偏置轴流风机,PowerFLOW声学频谱结果与实测结果完美吻合。

图10:轴流风机噪声应用
离心风机气动噪声仿真对于PowerFLOW更是小菜一碟。很多小体积设备往往选择离心风机进行通风散热,比如无人机、VR眼镜、手机、尖端医疗设备等,也有一些暖通通风设备选择高效的离心风扇。

图11:离心风机噪声应用
 
   高科技行业产品升级面临降噪问题,PowerFLOW气动噪声解决方案一定让你惊喜不断。


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