伺服器風扇氣動噪音模擬-ultraFluidX

作者：瑞其科技 Jason

【 ultraFluidX軟體簡介 】

       ultraFluidX使用LBM晶格波茲曼法(Lattice Boltzmann method)，與傳統CFD使用連續體假設的Navier-Stokes equation不同，LBM介於宏觀流體力學與微觀分子動力學之間，採用統計力學方法獲得宏觀物理量，如圖二。
 
 

圖二 LBM與傳統CFD及分子動力學的尺度關係

       LBM網格為八叉樹正交網格(Octree-based Cartesian mesh)，使用的元素類型為D3Q27元素，將3維流體粒子的速度離散為27個方向(圖三)。
 
 

圖三 ultraFluidX網格系統

       在壁面處理方面，與貼體網格位於網格表面不同，ultraFluidX的固體壁面位於網格內部，程式會自動識別壁面，並由Effective wall distance精確捕捉曲面形狀，正是此特點可以讓使用者不必費心處理簡化幾何，大幅降低手動時間(圖四)。

 

圖四 ultraFluidX壁面處理不須簡化幾何

【 風扇噪音實際案例分享 】

       以下就幾個實際分析案例，說明ultraFluidX於伺服器軸流扇的噪音分析結果，以及進行設計改良，達到降低噪音，同時維持冷卻氣流的案例。

實際案例：伺服器軸流風扇噪音分析
       通過模擬風扇內部流場和外部聲場，預測噪音頻譜與聲壓級分佈，並與實驗數據進行驗證。結果顯示，數值模擬能有效捕捉主要噪音源和頻率特徵，模擬值與實測值的誤差在3dB內(圖五)。而從後處理可以觀察氣流經葉片的擾動情況以及聲波的傳播情況(圖六)。本案例分析時間僅需25小時。
 
 

圖五 模擬值與實驗值頻普及聲壓級比對結果

圖六 伺服器軸流風扇流速、扇葉表面壓力、渦度及擾動壓力結果

實際案例：隔音室噪音改善案例
       具有冷卻風扇的機器，外圍由隔音室覆蓋。本例驗證新設計人字型百葉窗及加裝頂部隔音棉能減少多少噪音值(圖七)。由分析結果可知新設計總聲壓級減少了3dB，並維持相同的冷卻氣流量(圖八)。由聲壓分布圖也可觀察到新設計的噪音影響範圍比原設計來的小，透過剖面圖也能得知實驗難以量測到的內部噪音值(圖九)。風扇本身是主要噪音來源，而從流場動畫可觀察到風扇氣流經過百葉窗後會形成許多渦流，這些渦流形成了氣動噪音的次要來源(圖十)。本案例前處理時間為4小時，分析時間僅需16小時。

 

圖七 隔音室新舊設計比較及收音麥克風位置圖

圖八 原設計及新設計噪音比較結果

圖九 原設計及新設計聲壓分布圖

圖十 風扇氣流流經百葉窗之流場圖

【 結論 】

• Altair ultraFluidX是一個快速、高擬真的求解器，可同時求解流場與聲場，其GPU架構可讓計算速度比CPU計算快2~3倍！隨NVIDIA顯卡算力提升，與CPU的差距會更進一步拉大。
• Altair ultraFluidX模擬精確度高，與實驗值相比誤差僅相差不到3dB。且聲場模擬結果不但可量測到外部噪聲大小，也能得知實驗難以測量的內部噪音值。
• 一顆單風扇分析僅需25小時即可分析完畢，兩顆風扇為50小時。藉由快速的噪音分析能縮短產品改良週期。