CN109117488B - 一种变流器噪声分析方法 - Google Patents

Abstract

一种变流器噪声分析方法，其包括：流体分析步骤，对待分析变流器的几何模型进行简化，根据简化后的几何模型生成待分析变流器的CFD网格，并根据CFD网格计算瞬态流体分析结果；声学分析步骤，根据CFD网格建立待分析变流器的声学网格，导入瞬态流体分析结果并转化为声源，将声源映射到声学网格中并进行声传播计算，得到待分析变流器的噪声分析结果。本方法通过完善的流程化的CFD计算和声学计算，实现了变流器风机风道气动噪声的高精度仿真模拟，其有效地确保了气动噪声仿真工作的准确性，提高了仿真结果对工程实践的指导作用。

Description

一种变流器噪声分析方法

技术领域

本发明涉及变流器技术领域，具体地说，涉及一种变流器噪声分析方法。

背景技术

变流器是轨道交通车辆的核心部件，内部有许多机械电气模块，如牵引和传动控制单元、变压器、电抗器、控制箱、接触器、风机、母排以及导线等。各类零部件在通电运行过程中会产生不同程度的结构振动、电磁和启动噪声，这些噪声不仅会影响车辆的乘坐舒适度和乘务人员的工作效率，还会降低变流器产品的综合竞争力。

通过声压级测试和实际听觉感官，来自风机的噪声是变流器内部贡献最大的噪声源。由于风机功率大、转速高、风压流量大，风机在运行过程中会产生较大的启动噪声，因此分析和降低风机风道启动噪声是优化变流器整体噪声水平的重要环节。

目前，变流器的风机噪声问题主要通过测试的手段进行解决，这也就需要在变流器风机风道出风口和周围布置传感器，进行声压声强、频谱和贡献量等分析。然而，由于噪声测试对现场环境有很高的要求，同时测试设备价格昂贵，并且传感器数量有限，因此利用现有方法很难对变流器风机的气动噪声情况进行全方位的了解。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种变流器噪声分析方法，所述方法包括：

流体分析步骤，对待分析变流器的几何模型进行简化，根据简化后的几何模型生成所述待分析变流器的CFD网格，并根据所述CFD网格计算瞬态流体分析结果；

声学分析步骤，根据所述CFD网格建立所述待分析变流器的声学网格，导入所述瞬态流体分析结果并转化为声源，将所述声源映射到所述声学网格中并进行声传播计算，得到所述待分析变流器的噪声分析结果。

根据本发明的一个实施例，在所述流体分析步骤中，从所述简化后的几何模型中提取流体域，并对所述流体域进行网格划分及装配，得到所述待分析变流器的CFD网格。

根据本发明的一个实施例，所述流体域包括：进口区域、风扇区域和出口区域，三者形成封闭的流体空间。

根据本发明的一个实施例，在所述流体分析步骤中，

对所述待分析变流器的进口滤网和出口滤网进行网格划分，根据网格划分结果进行流体计算，得到所述待分析变流器的进出口多孔介质阻尼；

根据所述进出口多孔介质阻尼生成所述待分析变流器的瞬态流体分析结果。

根据本发明的一个实施例，在所述流体分析步骤中，对进出口滤网的滤网局部单元进行网格划分，并基于网格划分结果对所述滤网局部单元进行流场计算，测定不同风量对应的压降，并基于所述压降与风量的拟合数据计算得到所述待分析变流器的进出口多孔介质阻尼。

根据本发明的一个实施例，在所述声学分析步骤中，导入所述CFD网格，并对所述CFD网格进行重新划分，得到所述待分析变流器的声学网格。

根据本发明的一个实施例，所述待分析变流器的声学网格满足每波长6个网格尺寸。

根据本发明的一个实施例，在所述声学分析步骤中，将所述声源采用积分插值的方式映射到所述声学网格中。

根据本发明的一个实施例，在所述声学分析步骤中，所述噪声分析结果中包括以下所列项中的任一项或几项：

风机风道升压分布特征、气动噪声分布云图、声学传播分布云图和预设监测点出的升压值频谱曲线。

根据本发明的一个实施例，所述方法还包括：

噪声优化步骤，根据所述噪声分析结果对所述待分析变流器进行噪声优化。

本发明所提供的变流器噪声分析方法通过完善的流程化的CFD计算和声学计算，实现了变流器风机风道气动噪声的高精度仿真模拟，该方法有效地确保了气动噪声仿真工作的准确性，提高了仿真结果对工程实践的指导作用。

同时，该方法采用了多软件联合仿真计算的方式，其能够充分反应噪声产生来源、噪声分布情况以及声学特征。该方法的噪声分析过程不仅仅是得到系统内部的声压分布情况，还能够从风机运行的周期性流场特性、风道的涡流分布和噪声源分布等分析结果中，提出降低风机风道气动噪声的优化方案。

此外，现有的噪声仿真方法大多直接进行噪声分析，这样便忽略了流体计算中应当考虑的细节问题。而本方法还进行了包含进出口多孔介质阻尼计算在内额完整的流体计算，从而使得得到的瞬态流场结果更加准确，这也就为最终得到准确的噪声分析结果奠定了基础。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其它优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要的附图做简单的介绍：

图1是根据本发明一个实施例的变流器噪声分析方法的实现流程示意图；

图2是根据本发明一个实施例的划分待分析变流器的CFD网格的实现流程示意图；

图3是根据本发明一个实施例的生成待分析变流器的瞬态流体分析结果的实现流程示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

同时，在以下说明中，出于解释的目的而阐述了许多具体细节，以提供对本发明实施例的彻底理解。然而，对本领域的技术人员来说显而易见的是，本发明可以不用这里的具体细节或者所描述的特定方式来实施。

另外，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

现有的通过测试的手段很难对变流器风机的气动噪声情况进行全方位的了解。随着计算机技术与数值模拟技术的发展，流体及噪声仿真技术逐步成熟，相关商业软件功能不断加强，计算机仿真的方法已经逐步得到广泛应用，流体及噪声仿真也渐渐运用于各类工程实际。

然而，噪声问题涉及到多学科多物理场，其非常复杂。目前的仿真分析存在着诸多问题。其一，目前的仿真分析流程不清晰，噪声仿真涉及到有限元、边界元、CFD计算等众多理论知识，要充分了解噪声产生来源、噪声分布情况和声学特征，需要进行多软件的联合仿真；其二，目前的仿真分析大多直接进行噪声仿真，这样便忽略了流体计算中应当考虑的细节问题。因此，针对流体变流器风机风道噪声仿真，如何建立一个仿真精度高的完整流程，是噪声仿真分析工作指导实际的关键。

针对现有技术中所存在的上述问题，本发明提供了一种新的变流器噪声分析方法。该方法通过完善的流程化的CFD计算和声学计算，实现了变流器风机风道气动噪声的高精度仿真，这样也就有效确保了仿真工作的准确性，从而提高了仿真结果对工程实践的指导作用。

风机风道气动噪声分析一般基于Lighthill声类比方法及Cule’s理论，满足质量守恒方程和能量守恒方程，适用于所有实际流动问题，也适用于自由喷注的声发射问题。

在变流器风机风道气动噪声分析策略上，本实施例所提供的方法采用了建立无发射边界的方式来进行模拟，包括变流柜内流道、变流柜通过进出口流道传导外部空气中以及空间的一部分模型。其中，空间的一部分模型优选地指距离变流柜一定距离(例如1m)的范围的半自由场，边界上定义无限远，这样可以计算类似实际情况的监测点频谱曲线。同时，由于变流柜内部壁面通常会布置一些吸音材料，因此在仿真分析过程中可以采用定义导纳边界的方式来实现模拟吸音材料的降噪功能。

图1示出了本实施例中变流器噪声分析方法的实现流程示意图。

如图1所示，本实施例所提供的变流器噪声分析方法首先在步骤S101中对待分析变流器的模型进行简化，并在步骤S102中根据简化后的几何模型来生成待分析变流器的CFD网格和瞬态流体分析结果。

具体地，本实施例所提供的方法采用如图2所示的方法来对待分析变流器的几何模型进行简化并根据简化后的几何模型来生成待分析变流器的CFD网格和瞬态流体分析结果。具体地，由于变流器内部风机及周边零部件非常多，因此本方法首先在步骤S201中提取待分析变流器的几何模型的主要特征实体，从而得到简化后的几何模型。本实施例中，该方法所提取的几何模型的主要特征实体优选地包括系统的所有外边界和内部实体部件，同时，电机以及散热翅片等重要的影响气动噪声的部件也会保留原有特征，这样也就可以保证简化后的几何模型不会影响后续的计算精度。

本实施例中，该方法在步骤S201中优选地采用诸如HyperMesh和/或ICEM-CFD等软件来对待分析变流器的几何模型进行简化。当然，在本发明的其它实施例中，该方法还可以其它合理的方式或软件来对几何模型进行简化，本发明不限于此。

在得到简化后的几何模型后，如图2所示，该方法会在步骤S202中从简化后的几何模型中提取流体域。具体地，本实施例中，该方法优选地利用HyperMesh和/或ICEM-CFD等专业软件来提取CFD计算所需要的流体域。其中，该方法所提取的流体域优选地包括：进口区域、风扇区域和出口区域，这三个区域形成封闭的流体空间。

当然，在本发明的其它实施例中，该方法还可以采用其它合理的工具、软件或方法来从简化后的几何模型中提取流体域，本发明不限于此。

该方法会在步骤S203中对步骤S202中所得到的流体域进行网格划分及装配，从而得到待分析变流器的CFD网格。本实施例中，该方法优选地利用HyperMesh和/或ICEM-CFD等专业软件来对步骤S202中所得到的进口区域、风扇区域和出口区域三个流体区域进行网格划分，并完成装配过程。

其中，网格全局尺寸优选地取最大特征尺寸的1/20左右，最小尺寸优选地取流苏复杂区域特征尺寸的1/10左右，并还需要做好边界层和进出口滤网等关键部位的网格划分。需要指出的是，本实施例中，该方法在进行网格划分时所采用的网格全局尺寸和/或最小尺寸还可以根据实际需要配置为其它合理值，本发明不限于此。

本实施例中，在计算待分析变流器的瞬态流体分析结果的过程中，如图3所示，该方法首先会在步骤S301中对待分析变流器的进口滤网和出口滤网进行网格划分，随后在步骤S302中根据网格划分结果对滤网局部单元进行流场计算，从而测定出不同风量对应的压降。在步骤S303中，该方法会根据步骤S302中所得到的压降与风量的拟合数据来计算得到待分析变流器的进出口多孔介质阻尼，最后再在步骤S304中根据待分析变流器的进出口多孔介质阻尼生成待分析变流器的瞬态流体分析结果。

对于变流器来说，由于进出口滤网的存在，需要进行多孔介质阻尼的计算。本实施例中，该方法优选地利用HyperMesh和/或ICEM-CFD等专业软件来对滤网(包括进口滤网和出口滤网)局部单元划分网格，并通过Fluent等流体软件来基于网格划分结果对滤网局部单元进行流场计算，从而测定出不同风量所对应的压降。随后，该方法通过对不同风量所对应的压降进行风量-压降拟合，并根据拟合结果来确定出更为准确的进出口多孔介质阻尼。本实施例中，该方法所确定出的进出口多孔介质阻尼优选地包括粘性阻尼和惯性阻尼。

在得到待分析变流器的进出口多孔介质阻尼后，该方法会在适当的湍流模型、空气物理参数和边界条件下，根据待分析变流器的进出口多孔介质阻尼来进行风机风道流场的稳态和瞬态特征计算，得到风扇性能、变流柜壁面的压力和速度分布、风扇出口的压力脉动和声压级，从而输出用于启动噪声分析的瞬态数据(即待分析变流器的瞬态流体分析结果)。其中，待分析变流器的瞬态分析结果也为全面了解风道涡流缝补情况和结果优化提供了技术参考。

当然，在本发明的其它实施例中，该方法还可以采用其它合理方式来确定待分析变流器的瞬态流体分析结果，本发明不限于此。

再次如图1所示，在得到待分析变流器的CFD网格和瞬态流体分析结果后，该方法会在步骤S103中根据上述CFD网格建立待分析变流器的声学网格。通过分析发现，声学网格尺寸大小往往远小于流场网格，因此本发明所提供的方法优选地导入上述CFD网格，并在此基础上利用HyperMesh和/或ICEM-CFD等专业软件对CFD网格进行重新划分，从而得到待分析变流器的声学网格。通过这种方式，该方法能够有效减少声学网格划分的工作量，从而提高了变流器噪声分析的效率和速度。

本实施例中，该方法所划分得到的待分析变流器的声学网格满足每波长6个网格尺寸，这样也就不需要建立边界层或特意建立六面体单元。当然，在本发明的其它实施例中，根据实际需要，该方法所划分得到的声学网格还可以满足其它特征，本发明不限于此。

该方法会在步骤S104中导入步骤S102中所得到的待分析变流器的瞬态流体分析结果并转化为面声源与体声源，并在步骤S105中将声源映射到步骤S103所得到的声学网格中并进行声学传播计算，从而得到待分析变流器的噪声分析结果。

具体地，本实施例中，该方法优选地采用声学分析软件Actran来导入CFD瞬态流体分析结果并在Actran中转化为面声源与体声源。同时，该方法优选地利用积分差值法来将上述面声源与体声源映射到声学网格中。

在完成声源的映射后，该方法在步骤S105中优选地利用声学分析软件Actran来进行声传播计算，从而得到风机风道升压分布特征、气动噪声分布云图、声传播分布云图，并提取到检测点处的声压值频谱曲线，从而得到待分析变流器的噪声分析结果。

需要指出的是，在本发明的其它实施例中，该方法在步骤S105中通过进行声传播计算所得到的噪声分析结果既可以仅包含以上所列项中的某一项或某几项，也可以包括其它未列出的合理项，本发明不限于此。

此外，如图1所示，根据实际需要，该方法还可以在步骤S106中根据步骤S105所得到的噪声分析结果来对待分析变流器进行噪声优化。具体地，该方法可以基于上述气动噪声分析结果来指导变流器的风机风道关键参数进行优化调整，并利用该方法更新风机仿真模型从而得到噪声优化结果。如果有条件的化，还可以通过将噪声优化结果与噪声试验结果进行对比，从而得到更为准确的结果。本实施例中，该方法对待分析变流器进行风机优化主要涉及叶片安装角度、叶片与叶片之间角度、叶形、蜗舌及附属结构涉及的优化；风道优化主要涉及壁面吸声，根据CFD结果和声学结果中湍流、流速、声压分布和指向性等因素进行吸声材料的设置等。

从上述描述中可以看出，本实施例所提供的变流器噪声分析方法通过完善的流程化的CFD计算和声学计算，实现了变流器风机风道气动噪声的高精度仿真模拟，该方法有效地确保了气动噪声仿真工作的准确性，提高了仿真结果对工程实践的指导作用。

同时，该方法采用了多软件联合仿真计算的方式，其能够充分反应噪声产生来源、噪声分布情况以及声学特征。该方法的噪声分析过程不仅仅是得到系统内部的声压分布情况，还能够从风机运行的周期性流场特性、风道的涡流分布和噪声源分布等分析结果中，提出降低风机风道气动噪声的优化方案。

此外，现有的噪声仿真方法大多直接进行噪声分析，这样便忽略了流体计算中应当考虑的细节问题。而本方法还进行了包含进出口多孔介质阻尼计算在内额完整的流体计算，从而使得得到的瞬态流场结果更加准确，这也就为最终得到准确的噪声分析结果奠定了基础。

应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构或处理步骤，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。

说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。

虽然上述示例用于说明本发明在一个或多个应用中的原理，但对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的原理和思想的情况下，明显可以在形式上、用法及实施的细节上作各种修改而不用付出创造性劳动。因此，本发明由所附的权利要求书来限定。

Claims (7)

1.一种变流器噪声分析方法，其特征在于，所述方法包括：

流体分析步骤，对待分析变流器的几何模型进行简化，根据简化后的几何模型生成所述待分析变流器的CFD网格，并根据所述CFD网格计算瞬态流体分析结果；其中，提取待分析变流器的几何模型的主要特征实体，得到简化后的几何模型，所述主要特征实体包括系统的所有外边界和内部实体部件，以及影响气动噪声的部件；

在所述流体分析步骤中，对所述待分析变流器的进口滤网和出口滤网进行网格划分，根据网格划分结果进行流体计算，得到所述待分析变流器的进出口多孔介质阻尼；

根据所述进出口多孔介质阻尼生成所述待分析变流器的瞬态流体分析结果；其中，在相应的湍流模型、空气物理参数和边界条件下，根据待分析变流器的进出口多孔介质阻尼来进行风机风道流场的稳态和瞬态特征计算，得到风扇性能、变流柜壁面的压力和速度分布、风扇出口的压力脉动和声压级，从而输出用于启动噪声分析的瞬态流体分析结果；

声学分析步骤，根据所述CFD网格建立所述待分析变流器的声学网格，导入所述瞬态流体分析结果并转化为声源，将所述声源映射到所述声学网格中并进行声传播计算，得到所述待分析变流器的噪声分析结果；

在所述声学分析步骤中，导入所述CFD网格，并利用对应的工具软件对所述CFD网格进行重新划分，得到所述待分析变流器的声学网格；进而根据声学网格导入得到的待分析变流器的瞬态流体分析结果，并转化为面声源与体声源，利用积分插值法将所述面声源与体声源映射到声学网格中。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述流体分析步骤中，从所述简化后的几何模型中提取流体域，并对所述流体域进行网格划分及装配，得到所述待分析变流器的CFD网格。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述流体域包括：进口区域、风扇区域和出口区域，三者形成封闭的流体空间。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述流体分析步骤中，对进出口滤网的滤网局部单元进行网格划分，并基于网格划分结果对所述滤网局部单元进行流场计算，测定不同风量对应的压降，并基于所述压降与风量的拟合数据计算得到所述待分析变流器的进出口多孔介质阻尼。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述待分析变流器的声学网格满足每波长6个网格尺寸。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述声学分析步骤中，所述噪声分析结果中包括以下所列项中的任一项或几项：

风机风道升压分布特征、气动噪声分布云图、声学传播分布云图和预设监测点出的升压值频谱曲线。

7.如权利要求1～6中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

噪声优化步骤，根据噪声分析结果对所述待分析变流器进行噪声优化。

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