汽車交流發(fā)電機(jī)噪聲模擬計(jì)算方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種汽車交流發(fā)電機(jī)噪聲模擬計(jì)算方法,包括初始化基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，模擬計(jì)算區(qū)域設(shè)置及網(wǎng)格劃分，采用基于有限體積法的商業(yè)CFD軟件Fluent計(jì)算特定轉(zhuǎn)速下發(fā)電機(jī)的非定常氣動(dòng)特性方程組，正確性驗(yàn)證，驗(yàn)證模擬數(shù)值計(jì)算結(jié)果的正確性,對(duì)該型交流發(fā)電機(jī)氣動(dòng)性能和噪聲進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)量，根據(jù)模擬數(shù)值計(jì)算及實(shí)驗(yàn)實(shí)際驗(yàn)證的比對(duì)結(jié)果，進(jìn)行交流發(fā)電機(jī)降噪結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。本發(fā)明研究分析主要?dú)鈩?dòng)噪聲源部位的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射氣動(dòng)噪聲特性、交流發(fā)電機(jī)氣動(dòng)噪聲預(yù)測(cè)的不同湍流模型、不同工況下的氣動(dòng)噪聲時(shí)頻特性等。并采用試驗(yàn)研究方法,對(duì)交流發(fā)電機(jī)氣動(dòng)噪聲特性進(jìn)行驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上,對(duì)交流發(fā)電機(jī)進(jìn)行降噪優(yōu)化設(shè)計(jì)。
【專利說(shuō)明】汽車交流發(fā)電機(jī)噪聲模擬計(jì)算方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于汽車降噪領(lǐng)域，具體涉及一種汽車交流發(fā)電機(jī)噪聲模擬計(jì)算方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 電機(jī)作為從小型機(jī)械到大型機(jī)械的動(dòng)力設(shè)備其應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛。隨著經(jīng)濟(jì)的高 速發(fā)展和人民生活水平的提高，汽車的數(shù)量近年來(lái)飛速增長(zhǎng)，車用電機(jī)作為汽車上的關(guān)鍵 零部件之一，不僅在數(shù)量上、品種上有了很大變化，而且結(jié)構(gòu)上也發(fā)生了很大變化。據(jù)統(tǒng) 計(jì)，每輛普通汽車至少用15臺(tái)微特電機(jī)，高級(jí)轎車要用40-50臺(tái)微特電機(jī)，豪華型轎車 則配有70-80臺(tái)微特電機(jī)。目前，世界范圍內(nèi)車用電機(jī)已占到微特電機(jī)總量的13%左右。
[0003] 車用交流發(fā)電機(jī)是通過(guò)皮帶輪連接發(fā)動(dòng)機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。交流發(fā)電 機(jī)在正常旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，噪聲源復(fù)雜，主要噪聲為機(jī)械結(jié)構(gòu)噪聲、電磁噪聲、稱合噪聲（氣體 和固體彈性系統(tǒng)相互作用產(chǎn)生的噪聲）和氣動(dòng)噪聲4部分。其中氣動(dòng)噪聲在高速段（6000r/ min以上）一般占主要部分，氣動(dòng)噪聲成為汽車交流發(fā)電機(jī)較突出的噪聲組成成分。在一 些較特殊的工況（如啟動(dòng)、停止、高速）下，交流發(fā)電機(jī)會(huì)產(chǎn)生一些高頻刺耳的聲音，成為 影響舒適性的重要因素，且最難以治理。因此，研究交流發(fā)電機(jī)氣動(dòng)噪聲的特性及降噪方 法具有重要的意義。
[0004] 由于交流發(fā)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜引起內(nèi)部氣流流動(dòng)復(fù)雜，產(chǎn)生強(qiáng)烈的非定常流動(dòng)， 禍流噪聲明顯。聲源組成的復(fù)雜性和噪聲源的無(wú)法分離，以及使用常規(guī)方法難以確定主要 階次對(duì)總噪聲的貢獻(xiàn)量大小，使得噪聲治理針對(duì)性差，直接影響交流發(fā)電機(jī)氣動(dòng)性能和噪 聲特性的改進(jìn)工作。隨著轉(zhuǎn)速的提高，氣動(dòng)噪聲成為交流發(fā)電機(jī)噪聲中越來(lái)越重要的組成 部分，研究交流發(fā)電機(jī)氣動(dòng)噪聲的特性及降噪方法具有重要的意義。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)交流發(fā)電機(jī)氣動(dòng)噪聲問(wèn)題，本發(fā)明提供一種汽車交流發(fā)電機(jī)噪聲模擬計(jì)算 方法，研究分析主要?dú)鈩?dòng)噪聲源部位的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射氣動(dòng)噪聲特性、交流發(fā)電機(jī)氣動(dòng)噪聲預(yù)測(cè) 的不同湍流模型、不同工況下的氣動(dòng)噪聲時(shí)頻特性等。并采用試驗(yàn)研究方法，對(duì)交流發(fā)電 機(jī)氣動(dòng)噪聲特性進(jìn)行驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上，對(duì)交流發(fā)電機(jī)進(jìn)行降噪優(yōu)化設(shè)計(jì)。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種汽車交流發(fā)電機(jī)噪聲模擬計(jì)算方法，包括如下步驟： 步驟一：初始化基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，車用交流發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度最大設(shè)計(jì)限值為18000r/min，以前后 端蓋軸線方向?yàn)樘卣鏖L(zhǎng)度，得到外部流場(chǎng)的雷諾數(shù)Re>10e6 ; 步驟二：模擬計(jì)算區(qū)域設(shè)置及網(wǎng)格劃分，模擬的交流發(fā)電機(jī)內(nèi)外尺寸與的實(shí)體相同， 為交流發(fā)電機(jī)的CFD分析提供了高精度的分析基礎(chǔ)，交流發(fā)電機(jī)表面網(wǎng)格最大尺寸為4mm， 對(duì)流體影響明顯區(qū)域，最大網(wǎng)格尺寸控制在2mm;前后扇葉結(jié)構(gòu)復(fù)雜且高速旋轉(zhuǎn)，最大網(wǎng) 格尺寸控制在0. 5mm之內(nèi)并進(jìn)行局部加密，忽略和簡(jiǎn)化交流發(fā)電機(jī)內(nèi)部和外部復(fù)雜的結(jié)構(gòu) 細(xì)節(jié)；步驟三：采用基于有限體積法的商業(yè)CFD軟件Fluent計(jì)算特定轉(zhuǎn)速下發(fā)電機(jī)的非定 常氣動(dòng)特性方程組，數(shù)值計(jì)算時(shí)，為了加快收斂速度，先進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算，再將穩(wěn)態(tài)結(jié)果作 為瞬態(tài)的初始條件，直到瞬態(tài)計(jì)算物理場(chǎng)穩(wěn)定后，再開始用FW-H方程計(jì)算聲場(chǎng)并提取聲源 信息；步驟四：正確性驗(yàn)證，驗(yàn)證模擬數(shù)值計(jì)算結(jié)果的正確性，對(duì)該型交流發(fā)電機(jī)氣動(dòng)性能 和噪聲進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)量，包括交流發(fā)電機(jī)噪聲特性試驗(yàn)、各測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)檢驗(yàn)和頻譜檢驗(yàn)，比較 模擬數(shù)值計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)實(shí)際測(cè)量結(jié)果，如果誤差在可接受范圍內(nèi)，跳至下一步；如果誤差 在可接受范圍外，則返回步驟二，重新計(jì)算；步驟五：根據(jù)模擬數(shù)值計(jì)算及實(shí)驗(yàn)實(shí)際驗(yàn)證的 比對(duì)結(jié)果，進(jìn)行交流發(fā)電機(jī)降噪結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。所述步驟二還包括網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，兩套網(wǎng) 格計(jì)算結(jié)果偏差在2%之內(nèi)時(shí)，認(rèn)為計(jì)算結(jié)果與網(wǎng)格無(wú)關(guān)。所述步驟三中數(shù)值計(jì)算方法穩(wěn) 態(tài)計(jì)算選用RNG瑞流模型，利用SIMPLE算法求解，連續(xù)性方程采用標(biāo)準(zhǔn)格式離散，動(dòng)量 方程、瑞動(dòng)能方程和瑞流耗散率方程采用二階迎風(fēng)格式離散。所述步驟三中數(shù)值計(jì)算方法 瞬態(tài)計(jì)算選用LES瑞流模型，亞格子模型為Smagorinsky-Lilly模型，近壁處采用標(biāo)準(zhǔn)壁 面函數(shù)，時(shí)間差分格式為二階隱式，壓力速度賴合采用PISO算法進(jìn)行求解，連續(xù)性方程 用PRESTO格式罔散，動(dòng)量方程用BoundedCentralDifferencing格式離散。所述步驟二 中利用ICEM的script腳本文件實(shí)現(xiàn)流場(chǎng)網(wǎng)格的自動(dòng)劃分。
[0007] 本發(fā)明有如下積極效果：（1)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證為驗(yàn)證模擬計(jì)算區(qū)域設(shè)置及網(wǎng)格劃 分是否合理，減少計(jì)算量，提高優(yōu)化設(shè)計(jì)效率；（2)流場(chǎng)網(wǎng)格的自動(dòng)劃分及空氣動(dòng)力學(xué)的自 動(dòng)計(jì)算，實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)速交流發(fā)電機(jī)的自動(dòng)優(yōu)化，減少重復(fù)性的工作。

【具體實(shí)施方式】
[0008] 下面通過(guò)對(duì)實(shí)施例的描述，本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】如所涉及的各構(gòu)件的形狀、構(gòu) 造、各部分之間的相互位置及連接關(guān)系、各部分的作用及工作原理、制造工藝及操作使用方 法等，作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明，以幫助本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的發(fā)明構(gòu)思、技術(shù)方案有更完 整、準(zhǔn)確和深入的理解。
[0009] 交流發(fā)電機(jī)在正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下，噪聲源復(fù)雜，前后風(fēng)扇扇葉流通特性等問(wèn)題難以 通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究確定，因此我們將采用數(shù)值模擬方法，應(yīng)用CFD分析軟件FLUENT對(duì)某型車 用交流發(fā)電機(jī)內(nèi)外流場(chǎng)氣動(dòng)噪聲進(jìn)行三維動(dòng)態(tài)計(jì)算，分析主要噪聲源、前后風(fēng)扇扇葉流通 特性以及主要階次對(duì)總噪聲貢獻(xiàn)量的大小。我們的研究成果能夠?yàn)楹罄m(xù)交流發(fā)電機(jī)的氣動(dòng) 性能和噪聲特性的改進(jìn)等問(wèn)題提供參考和依據(jù)。
[0010] 分析研究表明：風(fēng)扇噪聲主要聲源是由旋轉(zhuǎn)的扇葉非穩(wěn)態(tài)瑞流流動(dòng)引起的偶極 子聲源。因此，在本專利中噪聲聲源可認(rèn)為是由風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)和扇葉拍打空氣引起的偶極子聲 源。
[0011] 以下為本發(fā)明方法的具體流程：步驟一、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)初始化； (1)車用交流發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度最大設(shè)計(jì)限值為18000r/min，以前后端蓋軸線方向?yàn)樘?征長(zhǎng)度，得到外部流場(chǎng)的雷諾數(shù)Re>l〇e6,可見(jiàn)流場(chǎng)處于瑞流狀態(tài)。
[0012] (2)忽略和簡(jiǎn)化交流發(fā)電機(jī)內(nèi)部和外部復(fù)雜的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，如整流器等零件小于 〇. 5mm的散熱孔、定子線圈繞組釆用等效柵格簡(jiǎn)化、忽略小圓知和倒知等并假設(shè)零件各部件 表面完全光滑。為保證精度，甜后扇葉小圓角倒角不簡(jiǎn)化。
[0013] 步驟二、模擬計(jì)算區(qū)域設(shè)置及網(wǎng)格劃分； 模擬的交流發(fā)電機(jī)內(nèi)外尺寸與的實(shí)體基本相同，這為交流發(fā)電機(jī)的CFD分析提供了高 精度的分析基礎(chǔ)。由于LES瑞流模型對(duì)網(wǎng)格要求很高，需占用很大計(jì)算機(jī)內(nèi)存和很長(zhǎng)的計(jì) 算時(shí)間，在目前技術(shù)條件下，要實(shí)現(xiàn)精細(xì)三維大禍數(shù)值模擬比較困難。
[0014] 交流發(fā)電機(jī)表面網(wǎng)格最大尺寸為4_，特別的，對(duì)流體影響明顯區(qū)域，最大網(wǎng)格尺 寸控制在2mm;前后扇葉結(jié)構(gòu)復(fù)雜且高速旋轉(zhuǎn)，最大網(wǎng)格尺寸控制在0.5mm之內(nèi)并進(jìn)行局 部加密。
[0015] 交流發(fā)電機(jī)氣動(dòng)噪聲數(shù)值模擬分析采用的計(jì)算域選為球體，大小是交流發(fā)電機(jī) 特征長(zhǎng)度（發(fā)電機(jī)軸向最大尺寸）的8倍，能夠保證瑞流流場(chǎng)充分發(fā)展且球體計(jì)算域網(wǎng)格 數(shù)量比同尺寸的正方體計(jì)算域網(wǎng)格數(shù)量少。流體空間分為旋轉(zhuǎn)和靜止部分：前風(fēng)扇、后風(fēng) 扇和爪極等組件為旋轉(zhuǎn)部分，按照給定轉(zhuǎn)速運(yùn)動(dòng)；前端蓋、后端蓋、定子和整流器等附近流 場(chǎng)為固定部分，計(jì)算過(guò)程中保持靜止。數(shù)值計(jì)算時(shí)，利用滑移網(wǎng)格技術(shù)實(shí)現(xiàn)前風(fēng)扇、后風(fēng) 扇和爪極與端蓋、定子和整流器等部件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)?；票砻嫦嗷ソ唤缑嬗?interface對(duì)" 來(lái)處理旋轉(zhuǎn)部分和靜止部分 的交界面。
[0016] 由于轉(zhuǎn)子部位與定子之間氣隙徑向間距只有I. 5mm，因此在氣隙之叫網(wǎng)格最大控 制尺寸設(shè)為0. 〇5_。風(fēng)扇扇葉流體流動(dòng)區(qū)域網(wǎng)格大小最大為0. 5_，這樣的網(wǎng)格劃分能夠 更好的捕捉小尺度減禍瑞流，計(jì)算網(wǎng)格截面采用非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格，空間網(wǎng)格采用四面體 和三棱柱單元，交流發(fā)電機(jī)表面采用三角形和四邊形單元，并對(duì)前后扇葉部位和氣隙之間 進(jìn)行局部網(wǎng)格加密。
[0017] 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證； 為驗(yàn)證模擬計(jì)算區(qū)域設(shè)置及網(wǎng)格劃分是否合理，減少計(jì)算量，提高優(yōu)化設(shè)計(jì)效率。
[0018] 數(shù)值模擬分析的結(jié)果誤差來(lái)源通常包括：模型誤差、離散誤差、迭代誤差和舍入 誤差。在通常計(jì)算中，模型誤差越接近實(shí)際交流發(fā)電機(jī)越好，但由于交流發(fā)電機(jī)整流器等 電子設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、定子鐵芯線圈繞組的等效柵格簡(jiǎn)化以及轉(zhuǎn)子線圈繞組等的簡(jiǎn)化都會(huì)帶 來(lái)一定的模型誤差；離散誤差隨網(wǎng)格變細(xì)車元增多而減小，而舍入誤差卻也隨離散節(jié)點(diǎn)的 增多而增大，計(jì)算精度隨網(wǎng)格數(shù)量的增大并非呈線性提高。另外，網(wǎng)格數(shù)量的增多勢(shì)必增 加迭代收斂的時(shí)間，相應(yīng)的其計(jì)算周期加長(zhǎng)，可見(jiàn)網(wǎng)格數(shù)量并非越多越好。
[0019] 因此，需要尋求一套疏密適中的網(wǎng)格。一般兩套網(wǎng)格計(jì)算結(jié)果偏差在2%之內(nèi)時(shí)， 認(rèn)為計(jì)算結(jié)果與網(wǎng)格無(wú)關(guān)。對(duì)本文模型分別釆用三套網(wǎng)格進(jìn)行了試算，結(jié)果見(jiàn)表1。計(jì)算 網(wǎng)格經(jīng)試算分別取總數(shù)為779萬(wàn)、1113萬(wàn)、1414萬(wàn)不等，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)格總數(shù)大于1414萬(wàn)時(shí)，計(jì) 算結(jié)果誤差小于0.18%，因此，后續(xù)計(jì)算中，模型網(wǎng)格數(shù)目控制在1414萬(wàn)以上。
[0020] 表1網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證結(jié)來(lái)

【權(quán)利要求】
1. 一種汽車交流發(fā)電機(jī)噪聲模擬計(jì)算方法，其特征在于，包括如下步驟： 步驟一：初始化基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，車用交流發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度最大設(shè)計(jì)限值為18000r/min，以 前后端蓋軸線方向?yàn)樘卣鏖L(zhǎng)度，得到外部流場(chǎng)的雷諾數(shù)Re>10e6 ; 步驟二：模擬計(jì)算區(qū)域設(shè)置及網(wǎng)格劃分，模擬的交流發(fā)電機(jī)內(nèi)外尺寸與的實(shí)體相同， 為交流發(fā)電機(jī)的CFD分析提供了高精度的分析基礎(chǔ)，交流發(fā)電機(jī)表面網(wǎng)格最大尺寸為4mm， 對(duì)流體影響明顯區(qū)域，最大網(wǎng)格尺寸控制在2mm;前后扇葉結(jié)構(gòu)復(fù)雜且高速旋轉(zhuǎn)，最大網(wǎng) 格尺寸控制在0. 5mm之內(nèi)并進(jìn)行局部加密，忽略和簡(jiǎn)化交流發(fā)電機(jī)內(nèi)部和外部復(fù)雜的結(jié)構(gòu) 細(xì)節(jié)； 步驟三：采用基于有限體積法的商業(yè)CFD軟件Fluent計(jì)算特定轉(zhuǎn)速下發(fā)電機(jī)的非定常 氣動(dòng)特性方程組，數(shù)值計(jì)算時(shí)，為了加快收斂速度，先進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算，再將穩(wěn)態(tài)結(jié)果作為 瞬態(tài)的初始條件，直到瞬態(tài)計(jì)算物理場(chǎng)穩(wěn)定后，再開始用FW-H方程計(jì)算聲場(chǎng)并提取聲源信 息； 步驟四：正確性驗(yàn)證，驗(yàn)證模擬數(shù)值計(jì)算結(jié)果的正確性，對(duì)該型交流發(fā)電機(jī)氣動(dòng)性能 和噪聲進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)量，包括交流發(fā)電機(jī)噪聲特性試驗(yàn)、各測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)檢驗(yàn)和頻譜檢驗(yàn)，比較 模擬數(shù)值計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)實(shí)際測(cè)量結(jié)果，如果誤差在可接受范圍內(nèi)，跳至下一步；如果誤差 在可接受范圍外，則返回步驟二，重新計(jì)算； 步驟五：根據(jù)模擬數(shù)值計(jì)算及實(shí)驗(yàn)實(shí)際驗(yàn)證的比對(duì)結(jié)果，進(jìn)行交流發(fā)電機(jī)降噪結(jié)構(gòu)優(yōu) 化設(shè)計(jì)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的汽車交流發(fā)電機(jī)噪聲模擬計(jì)算方法，其特征在于，所述步驟 二還包括網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，兩套網(wǎng)格計(jì)算結(jié)果偏差在2%之內(nèi)時(shí)，認(rèn)為計(jì)算結(jié)果與網(wǎng)格無(wú) 關(guān)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的汽車交流發(fā)電機(jī)噪聲模擬計(jì)算方法，其特征在于，所述步驟 三中數(shù)值計(jì)算方法穩(wěn)態(tài)計(jì)算選用RNG瑞流模型，利用SMPLE算法求解，連續(xù)性方程采用 標(biāo)準(zhǔn)格式離散，動(dòng)量方程、瑞動(dòng)能方程和瑞流耗散率方程采用二階迎風(fēng)格式離散。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的汽車交流發(fā)電機(jī)噪聲模擬計(jì)算方法，其特征在于，所述步驟 三中數(shù)值計(jì)算方法瞬態(tài)計(jì)算選用LES瑞流模型，亞格子模型為Smagorinsky-Lilly模型， 近壁處采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，時(shí)間差分格式為二階隱式，壓力速度賴合采用PIS0算法進(jìn)行 求解，連續(xù)性方程用PRESTO格式罔散，動(dòng)量方程用Bounded Central Differencing格式 離散。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的汽車交流發(fā)電機(jī)噪聲模擬計(jì)算方法，其特征在于，所述步驟 二中利用ICEM的script腳本文件實(shí)現(xiàn)流場(chǎng)網(wǎng)格的自動(dòng)劃分。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK104361174SQ201410662710
【公開日】2015年2月18日 申請(qǐng)日期:2014年11月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月19日
【發(fā)明者】許其山, 曾慶平 申請(qǐng)人:蕪湖杰諾瑞汽車電器系統(tǒng)有限公司