Snižování aeroakustického hluku pomocí CFD analýz

Tags: Aerodynamika | CAE | CFD | DES | Modelování aeroakustiky | SAS

Se zvyšujícím se komfortem dopravy stoupají požadavky na omezení hlučnosti a to nejen u automobilů, ale i kolejových vozidel a letadel. Zpravidla se jedná o komfort posádky, ale zanedbatelný není ani vliv na okolní prostředí, a to zvláště u letecké dopravy.

Požadavky na hlučnost a jak je splnit

U automobilové a kolejové dopravy je kromě aerodynamického hluku, který se projevuje zejména při vyšších rychlostech, poměrně významný i hluk generovaný ventilátory zajišťující klima komfort ve voze nebo chlazení pohonných jednotek. Stále častěji problém vyvstává se zmenšujícím se zástavbovým prostorem, kdy není možné uplatnit běžné zvukově izolační prostředky a musíme se tedy soustředit na potlačení samotných zdrojů hluku v rotačních strojích a to zejména optimalizací jejich průtočných částí.

Aktuálně je třeba tuto problematiku řešit u nízkopodlažních vozů tramvají, trolejbusů a elektro busů, jejichž pohony se jinak vyznačují naprosto tichým chodem. V kabinách stavebních a silničních strojů menších typů obsluha stroje prakticky sedí na motoru a nároky na odvod tepla a tedy i výkony ventilátorů jsou enormní, stejně jako u klimatizačních jednotek autobusů. S výkonem ventilátorů potom stoupá i celková hladina hluku.

V neposlední řadě nás obtěžuje i hluk ventilátorů v domácnostech, ať už se jedná o počítače nebo o klimatizační jednotky.
Řešení hlučnosti těchto zařízení je velmi častým problémem a vyžaduje nemalé úsilí. Experimentální měření jsou nákladná a vyžadují výrobu prototypu a proto i v této oblasti se nově prosazují metody virtuálního prototypování a u samotné aeroakustiky modelování a optimalizace pomocí CFD.

Definice hluku a prostředky pro jeho snížení

Zvuk obecně je mechanické kmitání částic v látkovém prostředí (nejčastěji vzduchu), které v pásmu frekvence od 20 Hz do 20 kHz je schopno vyvolat zvukový vjem. Zvuk se šíří v prostoru formou postupného podélného vlnění a proto se šíření zvuku popisuje pomocí vlnové rovnice.

V praktickém životě nás zajímá veličina nazvaná akustický tlak. Akustický tlak je rozdíl mezi okamžitou velikostí celkového tlaku v daném bodě a statickou (trvalou) hodnotou atmosférického tlaku. Hodnoty akustického tlaku jsou velice malé a až o několik řádů menší, než hodnoty atmosférického tlaku, v přírodě maximální hodnoty akustického tlaku nepřesahují zhruba 100 Pa. Abychom byli schopni akustický tlak přepočítat na hodnoty lidského vnímání, byl zaveden pojem hladina akustického tlaku Lp, jehož jednotkou je decibel (dB). Ta určuje rozdíl mezi naměřenou hodnotou tlaku a tlaku referenčního, což je nejmenší změna tlaku, jakou je lidské ucho ještě schopné zaznamenat a rovná se 2.10-5 Pa (z definice odpovídá hladině 0 dB).

Hladina akustického tlaku Lp je vždy definována pro pozorovatele v určité vzdálenosti od zdroje. Množství energie vyzařované ze zdrojových ploch je vyjádřeno veličinou hladina akustického výkonu Lw (dB). Ta nám říká, kolik energie zdroj vyzařuje do prostoru, a tudíž jaká je jeho celková hlučnost, kterou se snažíme v prvním kroku co nejvíce snížit. Dále je pro vnímání akustického tlaku důležitá jednotka dBa, ta charakterizuje akustický tlak, který je přepočítán v závislosti na charakteristice a vnímání lidského ucha. Například pro frekvence 2 – 5 kHz je lidské ucho nejcitlivější a proto se snažíme hluk na těchto frekvencích co nejvíce eliminovat. Nejúčinnějším postupem pro snížení nežádoucího aeroakustického hluku je tedy v prvním kroku snížení celkové hladiny vyzařovaného výkonu a následně snížení hluku v kritickém frekvenčním pásmu pro vnímání lidským uchem.

Příčiny aerodynamického hluku

Příčin vzniku tlakových fluktuací může být několik. Rozkmitání elektromagnetickými silami, od vibrujících těles a povrchů, nebo mohou vznikat od proudění tekutin. Této oblasti se dle nejčastějšího média – vzduchu, říká aeroakustika. Existují tři typy zdrojů hluku. První, monopólový zdroj je způsoben periodickou změnou objemu a můžeme si ho představit například jako výtok z trysky. Druhým zdrojem – dipólovým, je interakce vzduchu na plochách a typickým příkladem je hluk od rotujících lopatek ventilátorů, kde je dipólový zdroj hluku dominantní. Posledním zdrojem, který se označuje jako kvadrupól, je hluk od samotného turbulentního proudění. Ten se stává významným až pro vyšší Machova čísla a například v případě turbulence způsobené podvozkem přistávajícího letadla může představovat až 35% celkového vyzařovaného hluku letadla při přistání.

Možnosti řešení aerodynamického hluku pomocí CFD

Aeroakustický hluk jako fluktuace tlakového pole způsobené turbulentním prouděním tekutin, lze principiálně predikovat pomocí metody CFD (Computational Fluid Dynamics). Hlavním problémem, který do nedávna bránil rozšíření CFD pro řešení aeroakustiky je nutnost zachycení velmi malých tlakových fluktuací, pro které je zapotřebí velkého počtu výpočetních buněk modelu (rozsáhlých výpočetních sítí) a zároveň velmi krátkého časového kroku z důvodu zachycení vyšších frekvencí. To vede k vysokým nároků na výpočet, ale s rostoucím výpočetním výkonem - dle stále platného Moorova zákona, se stalo řešení aeroakustiky nejenom proveditelné, ale i dobře použitelné pro nasazení v průmyslových úlohách.

Přístupů k řešení aeroakustiky pomocí CFD je několik, nejpřesnější je přímá metoda založená na modelování vírových struktur pomocí turbulentních modelů LES, DES a SAS. Tato metoda ale stále vyžaduje enormní výpočetní zdroje a proto se její použití často omezuje pouze na vědecké a vojenské aplikace.

Pro běžnou praxi jsou vhodné jiné přístupy a to konkrétně akustická analogie a širokopásmové modely. Širokopásmový model, na rozdíl od akustické analogie, využívá pouze stacionární data (parametry proudění jsou v čase konstantní) a je proto výpočetně nejméně náročný. Jeho největší nevýhodou je potom nemožnost provedení frekvenční analýzy a stanovení podílu hladiny akustického výkonu jednotlivých frekvencí. Tuto metodu používáme na stanovení celkové aeroakustické hlučnosti daného zařízení a je vhodná například pro rychlé porovnání několika různých variant geometrií mezi sebou.

Stanovení podílu akustického výkonu jednotlivých frekvencí vyžaduje tlakové fluktuace v závislosti na čase a proto je zapotřebí řešení nestacionární (měnící se v čase). K tomuto účelu se používají metody založené na akustických analogiích. Akustická analogie využívá faktu, že akustické tlaky jsou řádově menší, než aerodynamické a proto řešení dynamiky a akustiky odděluje. Nejprve se načtou data z nestacionární simulace proudění a šíření akustických vln se poté řeší pomocí separátních rovnic. Díky tomu je možné analyzovat jednotlivá frekvenční pásma a získat přesnější data, než v případě širokopásmových modelů a zároveň stanovit úrovně akustických tlaků pro pozorovatele mimo řešenou doménu pro přesné porovnání s experimentálními daty. Nevýhodou této metody je vyšší výpočetní náročnost a proto se nehodí k optimalizačním úlohám, kdy je zapotřebí porovnávat mnoho různých variant.

Ukázka řešení hluku ventilátoru elektromotoru

Jedním z typických problémů je řešení hluku elektromotoru. Zde je problém ještě komplikovanější, protože celkový hluk je součtem dvou složek a to elektromagnetické, která vzniká od buzení elektromagnetických sil motoru a aeroakustické od ventilátoru zajišťujícího chlazení. Oba tyto problémy se modelují zvlášť a jsou použity jiné metody k jejich řešení. Aeroakustická složka se v prvním kroku řeší pomocí širokopásmových modelů k odhadnutí celkové hlučnosti ventilátoru a stanovení hlavních zdrojových ploch. Následně je vhodné přistoupit k metodě akustické analogie pro přesnější analýzu včetně stanovení příspěvku jednotlivých frekvenčních pásem k celkové hlučnosti. Modely při správném postupu a nastavení poskytují věrohodná data, která mají dobrou shodu s experimentálními měřeními, a proto jsou dobře použitelná pro průmyslové aplikace.

Průmyslová aplikace

Škoda Electric je předním světovým výrobcem elektrických pohonů a trakčních motorů pro trolejbusy, tramvaje, lokomotivy, příměstské vlakové jednotky, metro a elektrobusy. Při vývoji a konstrukci trakčních pohonů a motorů používá nejmodernější nástroje virtuálního prototypování a to nejenom pro simulaci chování navrženého zařízení za reálných podmínek, ale i pro jeho optimalizaci. Tímto postupem lze docílit lepších výkonnostních parametrů (charakteristik a účinností) a také i výrazných finančních úspor v podobě materiálových úspor a zrychlení celého procesu vývoje.

Prostředky virtuálního prototypování se ve společnosti Škoda Electric uplatňují již při prvotním návrhu parametrů elektrického stroje, jako jsou délka, průměr rotoru a statoru, typy a počet drážek a vinutí a jejich zapojení. Následuje podrobný výpočet elektromagnetických polí a zpřesnění a optimalizace úvodního návrhu. Následuje konstrukční rozpracování a virtuální testování mechanických vlastností stroje – pevnostní FEA výpočet klece motoru, nalisovaných částí a dynamická kontrola rotoru a zejména kontrola oteplení motoru. Simulace oteplení stroje představuje multidisciplinární analýzu zahrnující predikci Jouleho ztrát z elektromagnetického FEA výpočtu, výpočet teplotních polí CFD/FEA ve vinutí a železe motoru a jeho odvod chladícím médiem, provedený CFD výpočtem. Takto virtuálně prověřený mechanický a teplotní návrh musel v závěru projít experimentální kontrolou akustických emisí.

V současnosti je ještě před samotným měřením a výrobou prototypu prováděna simulační predikce vyzařovaných úrovní hluku ventilátoru elektromotoru za využití prezentovaných CFD postupů. Při zjištění případných překročení hlukových limitů je možno provést úpravy oběžného kola ventilátoru ještě před samotným měřením. Na zkoušku jde již prototyp motoru, o kterém víme, že dané akustické limity plní a není potřeba dělat již žádné dodatečné úpravy.

Závěr

Současná situace v konstrukci a vývoji nových strojů ukazuje, že využití CFD metod pro optimalizaci snížení nežádoucích aeroakustických hluků bude stále rozšířenější. Velkou měrou k tomu přispívá rostoucí výpočetní výkon, ale zároveň i numerická stabilita výpočetních CFD systémů a nových algoritmů, zrychlující nestacionární výpočty.

Problematika modelování aeroakustiky pro průmyslové aplikace bude podrobně prezentována na konferenci CAE Forum 2016, která proběhne 14. – 15. září 2016 v Park Holiday Congress Hotelu v Praze.

Autoři pracují v TechSim Engineering, s. r. o.

http://techsim.cz

info@techsim.cz