Eksenel bir fanın sayısal gürültü modelinin oluşturulması ve fan kapağı boşluk geometrisinin ses yayılımına etkisinin deneysel olarak incelenmesi
Numerical noise modelling of axial fan and experimental investigation of effect of fan cover gap geometry on sound radiation
Yazar: İSMAİL KONUR
Danışman: PROF. DR. VAHİT MERMERTAŞ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Dinamiği, Titreşimi ve Akustiği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Eksenel akışlı fan = Axial flow fan ; Endüstriyel gürültü = Industrial noise ; Sayısal akışkanlar dinamiği = Computational fluids dynamic

Özet:
Bu çalışma kapsamında soğutucu cihazlarda kullanılan eksenel bir fanın hava kaynaklı yarattığı gürültü incelenmiş olup sayısal bir gürültü modeli oluşturulmuş ve endüstriyel uygulamalarda kullanıcı güvenliği açısından üzerine takılan fan kapağının boşluk geometrisinin ses seviyesi üzerindeki etkisi deneysel olarak incelenmiştir.
Birinci bölümde önceki yıllarda yapılmış çalışmalar araştırılarak literatür taraması kapsamında yapılan çalışmalar özetlenmiştir. Literatür taraması kapsamında özetlenen çalışmalar fan gürültüsü, fan gürültü oluşum mekanizması, endüstriyel ürünlerde fan gürültüsü, hava kaynaklı sayısal gürültü modellemesi, fan gürültüsü ölçüm metodları gibi konuları içermektedir.
İkinci bölümde fanlar tanıtılmış, radyal ve eksenel fan olmak üzere fan tiplerinden bahsedilmiştir. Radyal ve eksenel fanların farkları üzerine bilgiler verilip fan verimini etkileyen tasarım özellikleri, fan performans eğrileri, fan kanunları, fan gürültüsü gibi konulara değinilmiştir.
Sayısal çalışmalar kapsamında öncelikle dönen hava hacmi, iç hava hacmi ve dış hava hacmi olmak üzere 3 adet geometri oluşturulmuştur. Oluşturulan bu geometriler tetrahedral ağ örgüsü elemanları ile sonlu hacimlere ayrılmıştır. Ağ örgüsü eleman boyutları olarak her bir geometri için farklı boyutlar girilmiş olup hassas çözüm gerekli olan bölgelerde ince eleman yapısı oluşturulmuştur. Akışkanlar dinamiği analizleri kapsamında ilk olarak sst k-w türbülans modeli kullanılarak zamana bağlı olmayan akışkanlar dinamiği analizi gerçekleştirilmiştir. İlgilenilen fanın deneysel veriler sonucu elde edilen bastığı debi değerine eş değer olacak hava debisi değerine ulaşıldığından analiz düzenli rejime geldiği kabulü yapılarak analiz sonlandırılmıştır. Bu analiz sonuçları başlangıç koşulu alınarak ikinci aşamada les türbülans modeli kullanılarak zamana bağlı akışkanlar dinamiği analizi çözdürülmüştür. Akışkanlar dinamiği analizi sonuçlarında fan emiş bölgesinde negatif basınç değerleri görülmüş ve fanın güçlü bir basma yaptığı görülmüştür. Hız değerleri ise kanat uçlarında maksimum değerini almaktadır.
Hesaplamalı hava kaynaklı gürültü analizi kapsamında bir önceki aşamada tamamlanan akışkanlar dinamiği analizi düzenli rejime ulaşıldıktan sonra Fw-h akustik modeli kullanılarak hesaplamalı hava kaynaklı gürültü hesaplaması yapılmış, belirlenen 3 adet mikrofon konumundan ses basınç verileri hesaplanmıştır. Yapılan sayısal analizlerde zaman adımı olarak fanın her bir derecelik dönüş hareketi için geçen zaman alınmış olup, fan toplam 4 tur döndürülerek analizler tamamlanmıştır. Elde edilen tüm mikrofon konumlarındaki sonuçlarda ses seviyesi kanat geçiş frekansında maksimum değerini almış, kanat geçiş frekansının harmoniklerinde ise yerel olarak maksimum değerler aldığı görülmüştür. 2000 Hz'den yüksek frekans değerlerinde ise ses seviyeleri oldukça düşük değerlerdedir.
Sayısal model ile elde edilen veriler deneysel verilerle kıyaslanması amacıyla yarı yansımasız odada ses basınç seviyesi ölçümleri yapılmıştır. Deneysel çalışmalar sonunda eksenel fanın yarattığı gürültü frekans dağılımı olarak 100 – 2000 Hz aralığında dağılım gösterdiği gözlemlendiği için sayısal ve deneysel sonuçlar bu aralıkta karşılaştırılmıştır. Kanat geçiş frekansı baskın olmak üzere ve harmoniklerinde baskın pikler oluşmaktadır. Sayısal ve deneysel veriler bu frekans aralığında karşılaştırılmış ve özellikle kanat geçiş frekanslarında oldukça iyi bir uyum sağlanmıştır. Sayısal hesaplamalar sonucu elde edilen ses seviyesi değerleri deneysel sonuçlara göre dalgalanmalar içermektedir.
Çalışmanın ikinci aşamasında fan üzerine güvenlik amacıyla takılan ve üzerinde hava geçişinin sağlandığı boşluklar bulunan fan kapağı numuneleri test edilmiştir. Fan kapağı numuneleri endüstriyel ürüne özel tasarım kriterlerine uygun olarak tasarlanmıştır. Her iki numune için de fan kapağındaki boşluklardan parmak giremeyecek kalınlıkta olmasına özen gösterilmiştir. İki numunede bulunan boşlukların alanı her iki numune için de sabit tutulmuştur. Çalışma kapsamında oluşturulan fan kapağı numuneleri oval ve dikdörtgen şekilli olmak üzere iki farklı boşluk geometrisi şeklindedir. Öncelikle fan kapağından karşı tarafa basılan hava debisi incelenmiş daha sonrasında ise çınlama odasında ses seviyesi ölçümleri yapılmıştır. Endüstriyel uygulamaya yönelik yapılan bu testlerde elde edilen sonuçlara insan kulağının algılama biçimini yansıtan A ağırlıklı filtre uygulanarak ses gücü düzeyi verileri üzerinden 1/3 oktav frekans bandı merkez frekanslarında karşılaştırma yapılıp optimum fan kapağı numunesi belirlenmiştir. Yapılan kıyaslamalar sonucunda dikdörtgen şeklindeki boşluklara sahip fan kapağı numunesi oval kesikli fan kapağına göre basılan hava debisinin karşı tarafa aktarılmasına daha büyük oranda izin verdiği gözlemlenmiş olup, tüm merkez frekanslarda daha az ses gücü düzeyine sahip olduğu görülmüştür.
Tez çalışmasının son aşamasında gelecek çalışmalar için önerilerde bulunulmuştur. Deneysel çalışmalar sonucu doğrulanan sayısal modele fan kapağı numunesi entegre edilerek fan kapağının ses seviyesine etkisi sayısal ortamda incelenip farklı fan kapağı boşluk geometrileri oluşturularak numune üretimine gerek kalmadan optimum fan seçimi yapılabilir.

Abstract:
In this study the airborne noise of an axial fan that used in cooling appliances was examined and a numerical noise model was created, effect of the gap geometry of fan cover mounted on axial fan for user safety in industrial applications was examined experimentally.
In first section the studies in previous years were researched and the studies carried out within the scope of the literature review are summarized. The studies summarized within the scope of the literature review include topics such as fan noise, fan noise generation mechanism, industrial fan noise, numerical airborne noise modelling, fan noise measurement methods, special noise measurement rooms.
According to literature review section axial fan noise is generally tonal noise and radiates as a source of dipole sound propogation. Monopole source radiates equally to all direction and it generates by displacement of the fluid due to moving the surface. Monopole sound source also called blade thickness noise. Dipole source does not radiate to all direction equally, consist of two monopoles that are opposite phase. Dipole source generates by fluctuation of forces created by airflow on the blade. Quadripole source consists of two dipole sources opposite phase. It generates by turbulent flow. If flow is subsonic and blade thickness very small, monopole and quadripole source are neglegible. Dipole source is dominant.
In the literature review, the studies that investigate of effects of fan cover on fan noise have been found. According to these studies, it was observed that rectangular and honeycomb patterned fan covers create less noise than circular patterned fan cover gap geometry.
In the second chapter fans are introduced and radial and axial fan types are mentioned. Information about differences between radial and axial fans is given and design features that effect on fan efficiency, fan performance curve, fan laws, fan noise and fan noise generation mechanism are mentioned. The interested fan has seven blades and axial flow. During the experiment the fan speed is 2500 rpm. In application this fan is responsible to transfer the cool air from the evaporator to compartment that has customer products.
In numerical studies, three geometries were created as rotating body, internal air volume and enclosure. These created geometries divided into finite volumes with tetrahedral mesh elements. Different mesh element size entered for each geometry. Fine mesh created where needs sensitive solution.
According to related documents and previous studies, les turbulent model gives better results for airborne noise analysis. With scope of computitional fluid dynamic analysis firstly steady state simulation was performed using sst k-w turbulent model. The flow rate at this fan speed is known with experimental data. According to the result of the numerical analysis, when the air flow rate reaches the this value, assumes that the fan reaches steady state condition and steady state analysis is terminated. In second stage, by taking initial condition of steady state results, unsteady computational fluid dynamics simulation was solved using les turbulent model. In the fluid dynamics results negative pressure values were observed in the fan suction area. It shows that fan made strong vacuum effect. Velocity streamlines take maximum value at the wing tips.
There are two different method for computational aero acoustic analysis. These are Lighthill and Ffowcs Williams Hawkings methods. Lighthill equations only solves quadripole sound sources but Ffowcs Williams Hawkings equations can solve all sound sources so within the scope of numerical analysis, after the fluid dynamics analysis completed in the previous stage the sound pressure data calculated using the Fw-h acoustic model and the sound pressure data calculated from three microphone locations determinated before. In the numerical analysis, time taken for one degree of rotation of the fan was taken as time step. The analysis was completed for four rotations of axial fan.
Total numerical analysis time is 542 hours. Acoustic data collected for 96ms. This means sound pressure spectrum has 10 Hz frequency resolution.
Regarding to results of all microphone positions, it has been observed that the sound pressure level has taken maximum value on the blade passing frequency, as well as in the harmonics of the blade passing frequency it has taken maximum values locally. At frequencies higher than 2000 Hz, sound pressure levels are quite low.
In order to compare the data obtained by numerical model and experimental results, sound pressure level measurements were performed in semi anechoic room. All walls have the feature of absorbing sound waves in semi anechoic room. Ansys Fluent sofware that used in numerical analysis also creates the walls as non reflecting. The reason of experiment in semi anechoic room is that.
Before the collecting data fan worked ten minutes, after that data collection was started. The data collected by Dewesoft software and signal processing was performed by LMS Labshop sofware. In the data collection settings sampling rate setted as 20000 Hz and in the signal processing frequency resolution setted as 10 Hz.
As a result of the experimental studies it has been observed that the axial fan noise is range of 100 – 2000 Hz in frequency distribution, blade passing frequency and other harmonics are dominant. The experimental and numerical results have been compared in this range and very good fitting reached in blade passing frequency and other harmonics. The sound pressure levels obtained by numerical analysis contains more fluctuations according to experimental data.
In the second stage of the study, the fan cover samples that provide air flow and are mounted on axial fan for safety purpose were tested. The fan cover samples created within the scope of the study are in the form of two different geometries; circular and rectangular. Fan cover samples were designed in accordance with the industrial product special design criterias. Both samples were designed in such a way that no finger can enter through the gaps in the fan cover. The area of the gaps in two samples was kept constant. 
In the experimental investigation of fan cover effect firstly the air flow rate from the fan cover to the other side was examined. As a results of the air flow rate comparison it has been observed that fan cover sample with rectangular gap geometry allows the air flow rate to be transferred to the other side greater than the fan cover with circular gap geometry.
Secondly in the scope of acoustic performance, fan cover samples that have different gap geometry were created and tested in reverberation type acoustic chamber. In the results of the reverberation chamber test, the A weighted filter that represent human ear was applied and the sound power level values for each third octave center frequencies were compared. As a results of comparison it has been observed that the fan cover sample that has rectangular shape gap geometry has less sound power level at each frequencies.
In the last stage of the thesis study, suggestions were made for future studies. By integrating the fan cover sample into the numerical model which is verified as a result of experimental studies, the effect of the fan cover on the sound level can be examined in a numerical model and different fan cover gap geometries can be created this can be easy way to select optimum fan cover gap geometry without the need for sample production. By increasing the analysis time, sound pressure spectrum with high frequency resolution can be obtained. This is the useful method to create a better numerical model.
The distance between fan and fan cover has a significant effect on the noise level created by the fan. This thesis does not include about these studies but it is know that this distance is important until optimum distance. The maximum distance between the fan and fan cover can be investigate in another studies.