- 19 - *1 開発本部 第四開発部 *2 2010 年8 月退社(四輪事業統括本部 四輪第二開発部) HVAC システム内流体騒音シミュレーション ※ Numerical Simulation of Flow-Induced Noise in Automotive HVAC Systems A computational fluid dynamics (CFD) approach for the prediction of sound generation in automotive Heating Ventilating Air Conditioning (HVAC) systems is investigated. Experimental and numerical results are presented and discussed. A standard CFD approach with Ffowcs Williams-Hawkings (FW-H) method is used to predict the sound generation. We are interested in the flow-induced noise for the case including a rigid boundary and focus on the flow-induced noise due to dipoles only. The transient turbulent flow is simulated with Large Eddy Simulation (LES). The CFD result yields the Sound Pressure Level (SPL) peak around at the same frequency obtained by experiment. Key Words: CFD, Noise/LES, Aero acoustics, Computational aero acoustics, Lighthill, HVAC, Ffowcs Williams- Hawkings 1.はじめに 自動車用 HVAC システムの開発における CFD 技術が長足の進歩を遂げている.また同 時に CFD 自身の数値的な手法も様変わりをし ている.1990 年代当初は HVAC システム内空 気流れのおおよその可視化を目指した程度で あり (1) ,乱流を考慮した計算など当時のマシ ンパワーやノウハウを考えると問題外であっ た.しかし今や乱流モデルはシミュレーショ ンの中にデフォルトで組み込まれており,無 意識のままにシミュレーションを実行してい るという時代となった.HVAC システム開発 において CFD が担う役割の中心的課題は空気 流れの温度分布であり,その解決の鍵を握る のは温冷風の混合を如何に精度良く実行する かであろう.しかしながら市販ソフトのよう に汎用性を重視したコードによる温冷風混合 問題の解決は難しく,現時点では燻ったまま のようである.一方で,流体の非定常運動によ り発生する音は 1950 年ごろ Lighthill により 論文 小 野 寺 淳 *1 伊 藤 榮 信 *2 Jun ONODERA Shigenobu ITOH ※ 2012 年 8 月 30 日受付,(公社)自動車技術会の許諾を得て,2010 年春季大会学術講演会前刷集 No.64-10,310-20105337 より,加筆 修正して転載 研究され (2),(3) ,これが近年の CFD 技術の進 歩により実用化の段階まで漕ぎつきつつある. さて,HVAC システム開発において通常最 終段階に現れる問題のひとつに異常な音(以 下,異音と略)発生に関係するものがあるが, これを設計初期段階で解決しておくことが開 発期間短縮には重要となる.その一翼を担う として期待されるのが上記 CFD による流体 騒音シミュレーションである. HVAC システムで問題となる異音としては さまざまなものがあるが,その中でも流体騒 音に関するものが多い.HVAC システム内で 発生している流体騒音の CFD による先駆的な 研究は Ayar ら (4) により行われているが,こ れはコンピュータシミュレーションという観 点からも包括的な問題に取り組んでいる.ま たこれに類する発表もある.一方で HVAC シ ステムにおいて発生している具体的な問題と 思われる異音,例えば特定周波数域にピーク をもつような音の問題とその対策に関する報 告はこれまでにない.我々は問題をこの現象
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ケーヒン技報 Vol.1 (2012)
*1 開発本部 第四開発部 *2 2010 年 8 月退社(四輪事業統括本部 四輪第二開発部)
HVACシステム内流体騒音シミュレーション※
Numerical Simulation of Flow-Induced Noise in Automotive HVAC Systems
A computational fluid dynamics (CFD) approach for the prediction of sound generation in automotive Heating Ventilating Air Conditioning (HVAC) systems is investigated. Experimental and numerical results are presented and discussed. A standard CFD approach with Ffowcs Williams-Hawkings (FW-H) method is used to predict the sound generation. We are interested in the flow-induced noise for the case including a rigid boundary and focus on the flow-induced noise due to dipoles only. The transient turbulent flow is simulated with Large Eddy Simulation (LES). The CFD result yields the Sound Pressure Level (SPL) peak around at the same frequency obtained by experiment.
である.n i は面の方向ベクトルの i 成分である.この解は Ffowcs Williams-Hawkingsにより導出された(3).(4)式右辺の第1項は Lighth i l l の理論に現れる4重極を表し,第2項が固体壁の存在によるもので2重極音源を表している.空気中の音を考える場合,通常粘性による影響は無視できる(eij = 0)ので,右辺第2項には圧力の項のみが残る.さらに,
最後に,シミュレーション実行時の時間刻み幅 D t について記す.時間刻み幅の選定は目標とするピーク周波数を捉えきれる程度に設定すべきであろうが,クーラン条件 C =(物理的な伝播距離 uD t)/(数値的な伝播距離 D x)まで考えると,かなり小さく設定しなければならなかった(D t = 1×10-5 [s ]).これは,LES用メッシュサイズ D x の小ささが一因である.
(3) M. E. Goldstein,今市,辻本訳:流体音響学,共立出版株式会社,第2章,第3章 (1991)
(4) A. Ayar et al.: Prediction of Flow-Induced Noise in Automotive HVAC Systems Using a Combined CFD/CA Approach, 2005 SAE World Congress, 2005-01-0509 (2005)
著 者
小野寺 淳 伊 藤 榮 信
近年の HEV や EV に代表されるように車の静粛性能が格段に向上している.車室内に搭載される空調装置(HVAC~ブロワ)においても例外なく静粛性が求められ,開発現場では苦慮している状況にある.本報告で示した流体騒音シミュレーションについては,2007 年頃より開発適用を目指した取り組みを行い現在の活用に至るが,音問題全てに対応できるものではなく,よって今後更なる改善(例えば共鳴音考慮)が必要である.(小野寺)