Ottimizzazione Acustica di Ventilatori

Una delle criticità principali nella progettazione di ventilatori è l’aspetto legato alla rumorosità ed ai parametri acustici. L’acustica è la disciplina che studia la propagazione del suono. Il suono è generato dalla vibrazione di superfici o da fluttuazioni che causano variazioni ed oscillazioni di pressione in un mezzo elastico. Dal punto di vista acustico, il suono ed il rumore costituiscono lo stesso fenomeno, ma il rumore si può definire come suono indesiderato.

L’aeroacustica è una branchia dell’acustica che studia il rumore generato dal moto turbolento o dalle forze aerodinamiche che interagiscono con superfici. Ci sono 4 entità principali nei problemi di aeroacustica: il mezzo, la sorgente, il suono ed il ricettore. Il mezzo di trasmissione è l’aria e le sorgenti sono i flussi che inducono le fluttuazioni di pressione, ovvero strutture transitorie come vortici turbolenti. Le onde viaggiano attraverso il mezzo fino al ricettore (un microfono o l’orecchio umano), che misura il livello del suono.

Sfide nell’Ottimizzazione dei Ventilatori

Questa tematica è molto complessa in quanto l’ampiezza delle onde acustiche è molto piccola rispetto al livello della pressione aerodinamica. Inoltre l’intervallo delle frequenze di interesse è molto ampio e può variare da 20 Hz a 20 kHz. Il tempo caratteristico dei fenomeni acustici è molto minore rispetto al tempo caratteristico del flusso primario, anche di diversi ordini di grandezza e necessita quindi di una risoluzione temporale maggiore. Infine è necessario cogliere anche i vortici turbolenti più piccoli, rendendo necessaria un’elevata accuratezza spaziale. 

Simulazione a supporto nell’Ottimizzazione dei Ventilatori

La fluidodinamica computazionale (CFD) è uno strumento molto potente per le simulazioni di aeroacustica. A causa della natura complessa del fenomeno, è necessario eseguire simulazioni ad elevata fedeltà per poter cogliere la generazione del rumore e la sua propagazione, sfruttando quindi solutori ad elevato ordine di discretizzazione e con modelli di turbolenza accurati, per poter rispettare tali esigenze.

Ci sono metodi diversi per modellare la generazione del suono utilizzando l'analisi CFD, indicati tramite termini in inglese:

• Computational Aeroacoustics (CAA): a volte nominato come Direct Noise Computation (DNC), questo metodo risolve direttamente la sorgente sonora e la propagazione in un unico modello completo, considerando le equazioni di Navier-Stokes transitorie in un dominio dove sono localizzati sia la sorgente che il ricevitore 
• Segregated Source-Propagation Methods (SSPM): in questo approccio vengono impiegati due passaggi di simulazione, uno per la sorgente sonora e l’altro per la propagazione. Quindi il dominio del problema può essere decomposto in due parti: il campo di moto (ottenuto risolvendo le equazioni di Navier-Stokes transitorie e la generazione del suono) e il campo acustico (ottenuto risolvendo l’equazione delle onde e della propagazione del suono)
• Stochastic Noise Generation and Radiation (SNGR): questo approccio può essere applicato in caso di suono a banda larga, ovvero senza toni dominanti caratterizzati da picchi nello spettro. Di conseguenza, è possibile valutare il suono considerando una media temporale delle strutture vorticose nella regione sorgente

Vantaggi della simulazione numerica nell’ottimizzazione acustica dei ventilatori

Grazie a queste simulazioni è possibile comprendere la natura del suono, ovvero se ha componenti tonali oppure a banda larga. È possibile identificare la distribuzione spaziale e la direzione della sorgente di rumore, su ciascun componente e per un ampio range di frequenze. In quest'ottica è possibile applicare queste tecniche alla progettazione di ventilatori per ridurne la rumorosità e rispettare i requisiti acustici.

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