緯創 機構技術研發處 李光宗 經理 、麻傑宇 技術主任, 鑫威資訊 潘冠毓 技術主任

摘要

本次研究是運用電腦輔助分析前導設計(CAE-Leding Design)的概念，應用在噪音衰減模組的設計中，探討此流程的可行性。本次由鑫威資訊股份有限公司(以下簡稱鑫威資訊)使用ANSYS Discovery CFD前導型電腦輔助分析系統，透過緯創資通股份有限公司提供的概念設計產品及實驗提供驗証結果。

本次概念驗証結果發現：在多型態設計前期，對於具有明確物理性指標之問題，如同本次具備壓力及流量可供探討的物理指標，可以透過相對性分析的結果，對設計者提供設計選擇的，得到較佳之設計型態。即使在邊界條件與實務上有所差異，仍然具備很好的一致性。對於複雜的物理或耦合性指標（如dB值)，雖然可以推測其特質，但提供判別性會較差。

研究動機

一般機構設計師使用CAD進行設計後，會針對驗証指標，進行實際的實驗。對於多種可行性的設計方法，需要大量實驗，此種傳統的設計方式，面臨現今永續經營的減碳政策之下，形成一項嚴峻的挑戰。但面臨設計多樣式的設計可行性中，在產品設計生命週期中，要能兼顧節能省碳的目標，並非僅有在製造過程中找到節碳的方式；另外在設計初期使用科學又節能的方式，找到適當的設計型態，面臨全球化永續經營的要求目標，在設計階段節能省碳是一項刻不容緩的事項。

但是一般機構工程師，面臨這樣的全球化目標，不容易有直接感受，因為設計打樣試作，早已成為過去經常性工作型態。本次緯創資通股份有限公司提出一項設計目標，結合鑫威資訊股份有限公司對於電腦輔助分析的專長，提出一項分析的可行方法。  緯創資通股份有限公司提出一項減少伺服器＂噪音衰減模組＂做為本次研究目標。基於過去經驗，該模組在抑制噪音的同時，也要能維持適當的流量以不影響散熱功能，這樣的設計型態有多種可能性。噪音衰減模組若需要依次打樣進行測試，將耗費相當大打樣費用。再由其中選出   一項設計，將是一項曠日費時的工作。設計工程師必須要在短期之內使用科學的方法，快速的選擇較佳設計的可行方案。

鑫威資訊提出一項電腦輔助分析前導設計(CAE-Leding Design)概念，與緯創資通 機構技術研發處 李光宗(Marco Li) 經理、麻傑宇 (Jerry Ma )技術主任共同合作，以符合工程需求的角度，配合現有電腦輔助分析工具，來找出可行的流程及方法。

文獻回顧

在國內外氣動噪音及振動噪音已有相當多的研究發展資料:

1.國立成功大學陳世雄教授在研究發動機葉片噪音流場指出：噪音本身是一種能量上的損失，且發動機的噪音與葉片流場有很大的關聯。相關研究對後掠式SR3葉片進行三維流場分析，解析黏性Navier-Stokes方程式，而聲場分析則式解析FWH方程式，完成對SR3葉片之三維流場計算與聲場分析。由此方法建立噪音分析的流程。

2.國立交通大學機械工程學系傅武雄教授所指導的論文＂抽油煙機之流場模擬與氣動噪音分析＂，研究生王俊傑指出：抽油煙機的聲場能量分佈與流場中壓力擾動有關，具有較高聲場能量分佈的區域，乃是噪音源產生的位置。

圖１ 噪音源發生示意圖

3.國立中央大學黃以玫教授在所指導的論文中，指出點聲源輻射出聲壓作用，作用於結構體上，由結構體上轉化出外力，轉化為振動，此振動再透過空氣介質分子輻射出聲壓。透過振動能量，可以觀查到對於噪音的影響。

有鑑於上述研究，可以得知：噪音是一種耦合問題，當氣流通過結構體時，可以透過結構產生振動噪音(Vibro-Acoustics)，或是透過流量產生氣動噪音(Aero-Acoustics)；有多種數值計算方法可進行聲場運算。這其中已有不少商業軟體可以運用，但計算量都十分龐大，不論在網格或邊界條件上，都需要大量的研究與計算。在設計前期，由於設計的時間有限，必須在短時間得可以確認設計結果。

綜觀各種研究方法，不難找出噪音發生的基本因素，不外乎是紊流擾動產生噪音源，透過空氣介質本身發生噪音，或是透過結構產生共振。因此在初期設計時，能夠減少紊流發生，結構有適當的剛性以克服振動發生，是可以快速找到抑制噪音的基本指標。

本次分析嘗試使用簡化計算流體力學方式，希望能透過簡單的指標，在不同設計中找到可行的設計型態，以減少研發的浪費及縮短研發時程。並透過實際分析結果，探討此項方法之可行程度及其可以應用的範圍。

研究方法

本文採用目前商用軟體ANSYS Discovery CFD，在不同模型中找到快速的流場分佈，觀察其流場壓力變化不要過於劇烈，同時流速變化產生的流阻不致於過高，且結構可以適當的承受壓力的變化。透過物理性參考指標，讓設計者在不同設計可行性中找到適合的設計。

本次分析會依下列流程進行:

1.建立基本觀察指標，定義觀測位置點。於流道的出入口，在垂直方向上取樣11個觀察點，分別量測其壓力差。

圖2 量測點示意圖

2.建立基本分析參考(Base Line)。此項分析中,先瞭解流道基本特徵狀況。依上述定義觀察點。並觀測壓力及流速分佈情形。並建立分析形式,在不同風道設計中,可以快速置換設計零件。

3.緯創資通在本案中將提供多種不同設計型態。分別依上述定義，進行模擬分析。

4.找出相對壓差進行比較。透過CAE分析，找出在壓降上不同級距定議出可以辨識之組別，建立可以進行之實驗組。

5.在有限資源下，挑出數組模型進行實際樣品製作，與模擬結果進行流量上之比對。

6.在量測出風口中央設置收音麥克風，可做為噪音判斷的參考標準。

分析與實驗結果討論

本次分析採用ANSYS Discovery 2022 R1，採用穩態求解核心；結構體的部份視為剛性體，不會產生變形。由分析結果得到下列數據:

表１壓降分析結果

計算時間大約為1.5~2小時之內可以完成。首先由CAE分析結果，先找到在壓力上具有辨識性的組別，由CAE分析結果挑出可以進行的實驗組別。本次實驗挑選出(0)Base Line(1)type 2-2, (2)type2-4 (3)type 3-6 ;

實驗結果如下表:

表2 P-Q Curve 圖

其中,與CFD=50時之對照表:

表3 CAE分析與實驗靜壓對照表（單位:ｍｍＡｑ）

由對照表可得知，分析後之差異性誤差大，但是趨勢性是一致的。回顧實驗邊界條件：設計者在相關內部結構使用泡棉等材質，與分析時所使用剛性邊界有所差異，推論剛性邊界因邊界較為平滑且無變形量，壓降較高。

以BaseLine量測到的噪音值若為最大,由觀測點量測到的噪音降低量結果如下表4:

表4（單位:ｄＢ）

量測出的噪音值下降量大至小排列: type2-4 > type3-6 > type2-2。下降量愈大,代表噪音衰減效果愈好。

雖然本次流場分析是穩態分析,從流場圖的觀測可以得到：若以噪音量測相關點繪製一區域圓形圖，可以發現type2-4離壓力衝擊中心較接近,高低壓力差較小，且高壓區直接擴散於接近空氣出口邊界。type3-6及type 2-2處於低壓區，高壓力差分佈較大，高壓區接近結構體邊界，兩者分佈差異很類似，雖然由觀察type2-2其高壓區接近結構邊界範圍較大，但對於振動結構聲噪的兩者影響不易判讀，因此噪音抑制量差異相近。但單純由流場分析結果判讀聲噪大小準確性尚有不精確之處，結果與噪音發生大小相關性不易判讀。

結論

本次緯創資通股份有限公司與鑫威資訊股份有限公司共同合作，使用市場上一般電腦輔助分析快速分析商用軟體，進行實驗相關比對，希望藉由實際案例之物理指標找到分析趨勢性。由表２及表３之結果可以得知:ANSYS Discovery CFD計算之結果可以得到快速的趨勢，其結果與實驗出來的呈現一致性。因此在相同邊界條件下，比對不同設計型態，找到流量的相互比較的相對性，具有不錯的參考性。代表在不同設計型態中選擇較佳設計，或是設計變更改善設計，ANSYS Discovery CFD可提供非常快速的分析相對比較趨勢結果。對於選擇性的設計比較會有較優勢的幫助。特別是散熱設計時需要關注流量圖，如果已有過去分析的結果，進行新型設計時，可以有相對的比較，可以在短時間做到設計判讀。藉此瞭解散熱需求的相對流量，得到所需的相對較佳設計型態。

對於複雜性的問題，如噪音判斷上，由於屬於耦合性的問題，ANSYS DISCOVERY CFD並無法做到相關流固耦合性的分析。從此次實驗建立分析的判斷參考基準：是先判斷噪音量測點附近壓力梯度變化的情形，判斷氣動噪音量測分佈的相對群組，但是本次分析中，並無法判斷出顯著差異。且由流場壓力較大區域接近結構物時，容易造成物體結構受外力產生的結構聲噪影響；本次分析並無法判別結構振動噪音進行判別。

本次分析示範對於流阻或P-Ｑ Curve相對性研究，使用電腦輔助分析引導設計概念(CAE Leading Design)可以快速分別相對特性差異的研究,雖然與實驗精確性略有差異，但即使該差異是受結構材質影響，對於氣流特質，ANSYS Discovery CFD對於不同設計間快速與相對性分析，仍提供很好的解決方案。

參考文獻

1. 葉片流場噪音程式建立,陳世雄, http://repository.ncku.edu.tw/handle/987654321/139688
2. 抽油煙機之流場模擬與氣動噪音分析,王俊傑/傅武雄, https://ir.nctu.edu.tw/handle/11536/38532
3. 風扇噪音分析與有孔平板受風扇噪音激振的聲場分析, 陳廷彰/黃以玫, https://hdl.handle.net/11296/37epvk

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