ANSYS Fluent 的氣動(dòng)噪聲模型原理及特點(diǎn)介紹

2016-10-26 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

1CAA(直接模擬模型)

ANSYS Fluent 中的CAA 方法可以通過求解流體動(dòng)力學(xué)方程直接得到聲波的產(chǎn)生和繁殖現(xiàn)象。聲波的預(yù)測(cè)需要控制方程時(shí)間精度的解,而且,CAA 方法需要ANSYS Fluent 通過求解非穩(wěn)態(tài)N-S 方程(如DNS)、非穩(wěn)態(tài)雷諾平均RANS 方程以及在分離渦DES 和大渦LES模擬中用到的濾波方程,精確模擬粘性效應(yīng)和湍流效應(yīng)。

CAA 方法需要高精度的數(shù)值求解方法、非常精細(xì)的網(wǎng)格以及聲波非反射邊界條件,因此計(jì)算代價(jià)較高。如果要計(jì)算遠(yuǎn)場噪聲(比如幾百倍的機(jī)翼弦長遠(yuǎn)處的噪聲傳播),CAA 方法則需要超大規(guī)模并行計(jì)算支持;但是如果計(jì)算近場噪聲(比如,機(jī)身表面的APU、空穴、微小部件擾動(dòng)噪聲),CAA 方法是容易可行的。在大多包含近場噪聲的計(jì)算中,由于局部壓力波動(dòng)導(dǎo)致的噪聲是可以通過ANSYS Fluent 準(zhǔn)確模擬的。既然CAA 方法直接求解聲波傳播,那么需要求解可壓縮的控制方程(如雷諾平均方程、可壓縮的LES 大渦模擬的濾波方程)。當(dāng)流動(dòng)速度較低或亞音速流動(dòng)時(shí),而且近場中的噪聲源主要由局部壓力波動(dòng)構(gòu)成,則可以使用不可壓縮流動(dòng)。然而,不可壓縮流動(dòng)處理不能模擬回聲和聲波反射現(xiàn)象。

2Acoustic Analogy Modeling(聲比擬模型)

對(duì)于中場和遠(yuǎn)場噪聲模擬,ANSYS Fluent 采用基于Lighthill 的“噪聲比擬”方法,作為CAA 方法的補(bǔ)充是ANSYS Fluent 中計(jì)算代價(jià)較小的方法之一?！霸肼暠葦M”方法不同于CAA 方法,它把波動(dòng)方程和流動(dòng)方程解耦,在近場流動(dòng)解析采用適當(dāng)?shù)目刂品匠瘫热绶嵌?/span>常雷諾平均、DES 分離渦或LES 大渦模擬等方法,然后再把求解結(jié)果作為噪聲源,通過求解波動(dòng)方程得到解析解,這樣就把流動(dòng)求解過程從聲學(xué)分析中分離出來。

ANSYS Fluent 采用基于Ffowcs Williams and Hawkings(FW-H 方程)的方程,FW-H 方程采用最通用的Lighthill 的“噪聲比擬”方法,可以求解由單極子、偶極子和四極子產(chǎn)生的噪聲傳播。ANSYS Fluent 采用時(shí)域積分的方法(聲壓、噪聲信號(hào)與時(shí)間相關(guān)),通過少量的面積分計(jì)算指定位置的噪聲。

流場變量(如壓力、速度分量、源(散射)面的密度)時(shí)間精度的解的獲得需要求解面積分。時(shí)間精度的解可以從非穩(wěn)態(tài)雷諾平均方程(URANS)、大渦模擬(LES)、或分離渦(DES)模型求解得到,可以捕捉精確的流動(dòng)特征如渦脫落等現(xiàn)象。

ANSYS Fluent 中的噪聲積分源面不僅可以放在不可穿透壁面上,也能放在內(nèi)部(可穿透)面上,這樣就可以考慮源面包圍的四極子噪聲貢獻(xiàn)。特別是針對(duì)飛行器高、亞音速流動(dòng),四極子噪聲影響不可忽略,ANSYS Fluent 中先進(jìn)的基于“可穿透面積分”的FW-H 模型可以很好解決高、亞速氣動(dòng)噪聲問題。

寬頻噪聲和音頻噪聲都可以通過精確求解流動(dòng)中的噪聲源特征體現(xiàn),但這對(duì)各種流動(dòng)的湍流模型要求較高,ANSYS Fluent 中豐富的湍流模型可以滿足流動(dòng)求解的精度。

ANSYS Fluent 中的FW-H 噪聲模型可以選擇多個(gè)源面和接收位置,也可以保存噪聲源數(shù)據(jù),或在瞬態(tài)流動(dòng)求解過程中同時(shí)執(zhí)行噪聲計(jì)算。聲壓信號(hào)可以通過快速傅立葉(FFT)變換得到,結(jié)合ANSYS Fluent 后處理獲得全部聲壓標(biāo)準(zhǔn)(SPL)和能量譜范圍下的噪聲數(shù)據(jù)圖。

ANSYS Fluent 的FW-H 噪聲模型能夠預(yù)測(cè)聲波向自由空間的傳播,因此對(duì)于航空領(lǐng)域如飛行器繞流引起的遠(yuǎn)場氣動(dòng)噪聲可以得到比較準(zhǔn)確的分析結(jié)果。FW-H 噪聲模型目前還不能預(yù)測(cè)封閉空間內(nèi)或噪聲向密閉空間內(nèi)部的傳播。

3Broadband(寬頻噪聲模型)

在許多工程應(yīng)用中的湍流,噪聲沒有明顯的頻段,聲波能量連續(xù)分布在一個(gè)寬頻段范圍內(nèi)按頻率連續(xù)分布,這就涉及到寬頻噪聲問題。在ANSYS Fluent 的寬頻噪聲模型中,湍流參數(shù)通過RANS 方程求出,再用一定的半經(jīng)驗(yàn)修正模型(如 Proudman 方程模型、邊界層噪聲源模型、線性Euler 方程源項(xiàng)模型、Lilley 方程源項(xiàng)模型)計(jì)算表面單元或體積單元的噪聲功率。下面簡要說明在ANSYS Fluent 的寬頻噪聲模型中的修正模型:

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Proudman 方程

最初由Proudman 于1952年導(dǎo)出,求解各項(xiàng)同性湍流噪聲(四極子噪聲源),Proudman 方程適用的假設(shè)是:高雷諾數(shù)、低馬赫數(shù)及各向同性湍流流動(dòng)。計(jì)算公式如下:

在ANSYS Fluent 中采用體積后處理變量Acoustic Power 或Acoustic Power Level(dB)來描述四極子噪聲在總噪聲能量中的貢獻(xiàn),計(jì)算公式如下:

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湍流邊界層噪聲源項(xiàng)

Turbulent Boundary Layer Noise

在ANSYS Fluent 中后處理變量中,Surface Acoustic Power[W/m^2]或Surface AcousticPower Level(dB)作為表面后處理積分量,具體公式如下:

Turbulent Boundary Layer Noise 源項(xiàng)模型對(duì)于評(píng)估局部偶極子噪聲源對(duì)總噪聲能量的貢獻(xiàn)非常有用。

對(duì)于三維增升裝置降低噪聲設(shè)計(jì)快速評(píng)估,Turbulent Boundary Layer Noise 源項(xiàng)不失為一種快速有效的方法。

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線性Euler 方程源項(xiàng)

Source Terms in Linearized Euler Equations (LEE)

線化歐拉方程從N-S 方程導(dǎo)出,通過把流動(dòng)分解為時(shí)均流、湍流和噪聲分量,同時(shí)假設(shè)噪聲分量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于時(shí)均流和湍流分量。方程如下:

Shear noise 是由于時(shí)均流和湍流的交互作用產(chǎn)生,Self noise 是湍流流場自發(fā)產(chǎn)生的。

ANSYS Fluent 后處理采用Stochastic Noise Generation and Radiation(簡稱SNGR)的方法計(jì)算源項(xiàng)的總體均值。

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Lilley 方程源項(xiàng)

Lilley 方程是三階波動(dòng)方程,由可壓縮流體的質(zhì)量守恒和動(dòng)量守恒方程聯(lián)合導(dǎo)出。Lilley方程源項(xiàng)包含Shear noise 和Self noise 兩項(xiàng);Shear noise 包含時(shí)均流,但是Self noise 不包含。

ANSYS Fluent 后處理采用Stochastic Noise Generation and Radiation(簡稱SNGR)的方法計(jì)算源項(xiàng)的總體均值。

Broadband 模型是CAA 和“聲比擬”方法的很好補(bǔ)充,特別是對(duì)飛機(jī)部件的降噪設(shè)計(jì)過程中,可以采用寬頻噪聲模型提取有用的診斷信息來快速確定流動(dòng)中的哪一部分對(duì)噪聲影響最大。然而,這些源項(xiàng)模型不能預(yù)測(cè)接收位置的噪聲量級(jí)。

Broadband 模型不需要瞬態(tài)流動(dòng)解,所有的源項(xiàng)模型只需要典型的RANS 方程解,比如實(shí)際速度場、湍動(dòng)能和湍流耗散率。因此寬頻噪聲模型需要最小的計(jì)算代價(jià)。

本文摘錄自網(wǎng)絡(luò)資源《ANSYS Fluent 氣動(dòng)噪聲模型使用指南》

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