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Catturare il rumore indotto dal flusso HVAC fin dalle prime fasi del ciclo di progettazione

Di Fred Ross

Il comfort acustico è uno degli attributi chiave del comfort dei passeggeri nella progettazione di un veicolo. E non solo per il sistema audio. La progettazione di altoparlanti che ottimizzino la propagazione del suono nell’abitacolo richiede molto lavoro, ma la gestione del rumore di fondo e di quello esterno è altrettanto essenziale. Per molti anni, questo aspetto ha ricevuto un’attenzione significativa solo nelle auto di lusso, per massimizzare il comfort dei passeggeri. La maggior parte degli utenti della strada accettava il rumore del motore a combustione interna come parte dell’esperienza di guida. Anzi, per alcuni questo suono era un fattore essenziale e desiderabile.

Ma con la diffusione dei veicoli elettrici, la situazione sta cambiando. Il rumore della strada e del vento sono più udibili che in passato. Inoltre, sono stati introdotti nuovi rumori, come il fruscio dei motori elettrici o i rumori ausiliari. I produttori cercano soluzioni per ridurre queste fastidiose fonti di rumore analizzando la causa principale dei problemi di rumore e vibrazioni, ottimizzando i veicoli per migliorare l’immagine del marchio e aumentando la percezione della qualità.

Le principali fonti di rumore dei veicoli possono essere suddivise in:

  • Rumore strutturale: rumore della strada, rumore del motore elettrico e rumore propagato attraverso i componenti flessibili dell’abitacolo.
  • Rumore indotto dal flusso: Il rumore del vento e il rumore del sistema HVAC sono due fattori che contribuiscono alla rumorosità interna.

Per catturare questa fisica, è fondamentale disporre di una soluzione operativa tra un solido solutore di fluidi computazionali per il rumore indotto dal flusso e un solutore a elementi finiti per analizzare la risposta strutturale. L’argomento di questo blog è il rumore dei condotti HVAC.

Modellazione della propagazione del rumore HVAC

Alcuni studi hanno dimostrato che le apparecchiature HVAC sono responsabili della maggior parte del rumore all’interno di un veicolo elettrico a basse velocità di crociera. Quindi, modellazione acustica della propagazione del rumore HVAC è fondamentale per comprenderla.

Il primo passo per gestire questi rumori è identificare la fonte. Se non si sa esattamente come e dove si crea il rumore, come si può pensare di ridurlo? Quindi, è necessario esaminare il modo in cui tutte queste fonti di rumore vengono trasferite all’interno del veicolo e adattare i progetti per mitigarle.

Non è un compito facile. Richiede molto tempo e denaro, che i produttori non possono permettersi. Certo, i clienti chiedono qualità, ma anche prezzi competitivi. Per avere successo, gli ingegneri devono raggiungere i progetti ottimali in tempi ragionevoli e ridurre al minimo i costi di sviluppo.

Per alcuni anni la simulazione è stata in grado di svolgere questi compiti, ma a fronte di una buona precisione, ci volevano 10 giorni o più per ottenere i risultati richiesti. Per questo motivo, sono stati compiuti notevoli sforzi per accelerare i tempi, sfruttando appieno l’hardware e le GPU disponibili e migliorando il funzionamento del software di simulazione.

Questo ha portato all’implementazione del Onda di Lighthill e lo sviluppo dell’onda onda convettiva perturbata (PCW) in Simcenter STAR-CCM+. Si tratta di due modelli aeroacustici ibridi che mirano a ottenere risultati migliori e più rapidi. Tuttavia, PCW include gli effetti di convezione del flusso, mentre Lighthill trascura l’effetto del campo di flusso sulla propagazione del suono, consentendo la valutazione del suono lontano dalla sorgente. Entrambi i metodi risolvono un’equazione aggiuntiva per la sorgente sonora basata su un termine di sorgente acustica calcolato dal campo di flusso. Inoltre, sono molto meno impegnativi dal punto di vista computazionale e vengono eseguiti in parallelo a una simulazione transitoria incomprimibile a risoluzione di scala, il che consente di migliorare notevolmente le prestazioni e di ridurre la dipendenza dalla mesh rispetto alle simulazioni comprimibili.

I modelli acustici ibridi di Simcenter STAR-CCM+ identificano le principali fonti di rumore nei condotti HVAC.
I modelli acustici ibridi di Simcenter STAR-CCM+ identificano le principali fonti di rumore nei condotti HVAC.

Stellantis, multinazionale leader nel settore automobilistico, ha utilizzato gli ultimi sviluppi di Simcenter STAR-CCM+ per identificare le fonti di rumore nei condotti HVAC. Simcenter STAR-CCM+ per mettere a punto un nuovo metodo che preveda con precisione e rapidità i livelli di rumore dell’abitacolo di un veicolo. In precedenza, Stellantis aveva un metodo in più fasi per il calcolo dei soli condotti HVAC. Pur essendo accurato, richiedeva molto tempo a causa della necessità di una mesh acustica e di una mesh del dominio dei fluidi. Ma grazie ai solutori ibridi di acustica integrati in Simcenter STAR-CCM+, questo metodo è stato condensato in un unico passaggio, aiutando Stellantis a semplificare il processo. Nel recente articolo tecnico SAE: Previsione del rumore HVAC con il metodo delle onde di LighthillStellantis ha contribuito a convalidare i nuovi modelli ibridi confrontandoli con i banchi di prova interni.

Con queste simulazioni, gli ingegneri confrontano le iterazioni di progetto e le classificano in termini di quantità di rumore generato. In questo caso, quindi, possono facilmente vedere quali progetti di condotti presentano i livelli di rumore più elevati in base alla frequenza. Le simulazioni consentono inoltre agli ingegneri di identificare le fonti di rumore aereo visualizzando le fonti volumetriche. In questo caso, sono stati analizzati il campo scalare della sorgente di rumore di Lighthill e il confronto delle strutture e delle velocità dei vortici per capire come viene generato il rumore.

Le GPU offrono tempi di esecuzione più rapidi e convenienti

Una delle grandi sfide per il rumore indotto dal flusso è stata quella di eseguire la simulazione acustica in un giorno. Il problema è che è necessario un passo temporale e una dimensione della griglia per catturare le sorgenti acustiche. Il modello di acustica ibrido ha contribuito a ridurre il carico di un fattore 2-3, ma per consentire l’esplorazione del progetto e l’abilitazione di 100 casi, sono necessarie un’ulteriore riduzione dei costi e una maggiore velocità.

I recenti sviluppi dell’hardware delle GPU hanno contribuito a ridurre tempi e costi. Ciò che richiedeva migliaia di processori per ottenere un tempo di esecuzione di 24 ore può ora essere risolto su workstation GPU più piccole che consentono tempi di esecuzione di 10-14 ore. Questo diventa un altro fattore chiave per gli ingegneri che possono esaminare un maggior numero di progetti in modo più rapido.

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