Optimization of the dynamic-acoustic behaviour in heat pump axial fans

Abstract

The aim of this investigation is the aeroacoustic analysis of the boundary layer separation noise and trailing edge noise in a heat pump axial fan, using Computational Fluid Dynamics (CFD), Fluid Fluid Structure Interaction (FSI) and Computational Aeroacoustics (CAA). The Broadband Noise Source (BNS) model and Transition SST turbulence model, implemented in Fluent 19.0, were used to study the boundary layer noise component of the three noise reduction features in steady-state and transient simulations. The objectives of this study were divided into two main parts: the analysis and optimization of golf ball dimples to control the the boundary layer separation on fan blade and the study regarding the application of two features from the "silent" flight of the owl on the fan, the finlets and the flexible trailing edge. The parametric optimization on dimples showed a 15,1% shift in boundary layer separation. This optimized pattern when applied to the suction side of the fan blade shifting the boundary layer separation which promotes the inhibition of the vortex generated at the junction of the blade with the hub resulting in a reduction of up to 0,8 dB under normal fan operating conditions. It was also found that dimples have a greater influence on operating conditions under an airflow less than 1500 m3/h, showing a shift in the stall resulting in an increase of the fan efficiency by 1,9% and a decrease in the boundary layer noise of 2,9 dB. On the second part of the work it was found that a fan with finlets presented a reduction of 0,3 dB at 300 rpm, although the results showed an increase in noise and a decrease in efficiency for higher rpm than those for which the finlets were optimized. The study of an flexible trailing edge showed a decrease in the thickness of the turbulence generated by the boundary layer. This, due to the downward movement of the flexible trailing edge that decreases the pressure mismatch between the suction surface and the pressure surface and the decrease of the angle of attack caused by its upward movement. Experimental measurements of an dimpled fan prototype, conducted in a hemi-anechoic chamber showed noise improvements in the order of 0,5 dB(A), the results suggested that for lower velocities than 380 rpm an increase in the fan efficiency is expected. Lastly, an attempt was made to induce stall in the fan through the obstruction of the heat pump evaporator. This investigation identified that for an airflow of 1700 m3/h at 535 rpm the original fan enters in a light stall condition while the dimpled fan prototype maintains its normal operating conditions, resulting in a reduction of 0,9 dB(A).

O objetivo deste trabalho de investigação consistiu na análise do ruído aeroacústico emitido pelo ventilador aplicado às unidades exteriores das bombas de calor, recorrendo a Computational Fluid Dynamics (CFD), Fluid Fluid Structure Interaction (FSI) e Computational Aeroacoustics (CAA). O modelo acústico Broadband Noise Source (BNS) e o modelo de turbulência Transition SST, implementados no código comercial Fluent 19.0 foram utilizados para avaliar diferentes técnicas de redução do ruído emitido pela separação da camada limite e pelo bordo de fuga. Os objetivos deste estudo estão divididos em duas componentes: a análise e otimização de cavidades inspiradas nas bolas de golf para o atraso da separação da camada limite na pá do ventilador e o estudo da implementação de duas características do voo "silencioso" das corujas no ventilador, o bordo de fuga alhetado e o bordo de fuga flexível. Os resultados da otimização paramétrica das cavidades das bolas de golf mostram um atraso na separação da camada limite de 15,1%. Este padrão otimizado quando aplicado no lado de sucção da pá do ventilador atrasa a separação da camada limite o que promove a inibição do vortex gerado entre a pá e o centro do ventilador resultando numa redução de até 0,8 dB em condições normais de funcionamento do ventilador. As cavidades das bolas de golf mostram ter uma maior influência para condições de operação com um fluxo de ar inferior a 1500 m3/h, mostrando atrasar o fenômeno de stall, aumentado a eficiência do ventilador em 1,9% e diminuíndo o ruído aerodinâmico em 2,9 dB em comparação com o modelo original. Na segunda parte da tese foi descoberto que um bordo de fuga alhetado revela uma redução de ruído de 0,3 dB a 300 rotações por minuto, sendo que se verifica perda de eficiência e aumento do ruído do ventilador para rotações por minuto superiores aos quais as alhetas foram geometricamente otimizadas. O estudo da utilização de um bordo de fuga flexível mostrou a diminuição da espessura da turbulência gerada pela camada limite através do movimento descende do bordo de fuga flexível que diminui a diferença de pressão entre a superfície de sucção e a superfície pressão e a diminuição do ângulo de ataque com o seu movimento ascendente. Medições experimentais realizados numa câmara semi-anecóica do protótipo do ventilador com cavidades inspiradas nas bolas de golf mostraram melhorias na ordem de 0,5 dB(A) para diferentes rotações por minuto e sugerem um aumento da eficiência para rotações por minuto inferiores a 380. Por fim foi feita a tentativa de induzir um escoamento totalmente separado no ventilador através da obstrução do evaporador da bomba de calor, este estudo identificou que que para um fluxo de ar de 1700 m3/h a 535 rotações por minuto o ventilador original entra em condição de separação total sendo que o protótipo do ventilador com cavidades inspiradas nas bolas de golf mantem condições de funcionamento normais, resultando numa redução de 0,9 dB(A).