Aeroacoustic noise analysis of axial fans using computational fluid dynamics (CFD) and computational aeroacoustics (CAA)

Abstract

The aim of this investigation is the aeroacoustic noise analysis of two fan models with different sizes used within two heat pump units, using Computational Fluid Dynamics (CFD) and Computational Aeroacoustics (CAA). The Broadband Noise Source (BNS) model and Transition SST turbulence model, implemented in Fluent 19.0, were used to detect the boundary layer noise component of the case studies in steady-state simulations. The targets of this study were divided in three main parts: analysis of the relation between diameter and tip speed and aeroacoustic noise, the motor cap’s influence on boundary layer noise and the analysis of serrated trailing edges and fans with golf-ball dimples. Results indicate a potential of 3,3 and 4 dB aerodynamic noise improvement at low and high speed flow requirements, respectively, using the bigger fan in the small-chassis, due to the lower speed needed to maintain the same airflow rate. It was found that the motor cap influences downstream airflow and reduces reverse flow. Although influencing the operating point of the fans, using the motor cap shows 0,4 and 0,8 dB improvement potentials for one of the fan models at the aforementioned speed modes, after adjustments for required airflow rates. Lastly, it was discovered that adding dimples to regions of the fan’s surface with a bias towards flow separation can help prevent the phenomenon and reduce turbulent kinetic energy in the near airflow, improving boundary layer noise. This becomes more evident in near-stall/stall operating conditions. The trailing edges didn’t show considerable improvements for the fan model they were added to. Experimental measurements of the three re-scaled 3D printed fan models, conducted in an enthalpic tunnel and a hemi-anechoic chamber, showed noise improvement potentials in the order of 3,7 and 5,3 dB(A) at 350 rpm for the fans with dimples and serrated edges, but new measurements need to be conducted with equal printing quality on all models to confirm the results

O objetivo deste trabalho de investigação consistiu na análise do ruído aero- acústico emitido por dois ventiladores de diâmetros diferentes aplicados em duas unidades exteriores de bombas de calor, recorrendo a Computational Fluid Dynamics (CFD) e Computational Aeroacoustics (CAA). O modelo acústico Broadband Noise Source (BNS) e o modelo de turbulência Transition SST, implementados no código comerical Fluent 19.0, foram utilizados para detetar o ruído da camada limite dos diversos casos de estudo, utilizando simulações em regime permanente. Os objetivos do estudo estão divididos em três componentes: a análise da relação entre o diâmetro e a velocidade de ponta com o ruído aeroacústico, o estudo da influência do disco do motor na acústica da camada limite e a análise de arestas serradas e ventiladores com cavidades inspiradas nas bolas de Golf. Os resultados indicam um potential para redução do ruído aerodinâmico de 3,3 e 4 dB no modo de baixa e alta velocidade, respetivamente, utilizando o ventilador maior no chassis mais pequeno, uma vez que requer velocidades mais baixas para atingir o mesmo caudal de ar. Foi descoberto que o disco do motor influencia a distribuição do caudal à saída do ventilador e que previne o fluxo inverso de ar. Apesar de influenciar os pontos de operação do ventilador, utilizar o disco demonstra um potencial de redução de ruído de 0,4 e 0,8 dB num dos modelos nas velocidades anteriormente mencionadas, após ajustes para os requisitos de caudal. Por fim, foi descoberto que adicionar cavidades a regiões da superfície de ventiladores com tendência para separações de fluxo de ar pode prevenir este fenómeno e reduzir a energia cinética turbulenta, favorecendo o ruído da camada limite. Este fenómeno torna-se mais evidente em condições de operação perto do stall aerodinâmico. Não se registaram melhorias significativas no modelo com arestas serradas. Medições experimentais realizadas num túnel entálpico e numa câmara semi-anecóica dos três protótipos impressos à escala reduzida mostraram melhorias na ordem dos 3,7 e 5,3 dB(A), a 350 rpm, com os modelos com cavidades e com arestas serradas, contudo novas medições devem ser conduzidas com igual qualidade de impressão para confirmação dos resultados