ANSYSFluent的氣動噪聲模型原理及特點介紹

2016-09-04  by:CAE仿真在線  來源:互聯網

1CAA(直接模擬模型)

ANSYS Fluent 中的CAA 方法可以通過求解流體動力學方程直接得到聲波的產生和繁殖現象。聲波的預測需要控制方程時間精度的解,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,精確模擬粘性效應和湍流效應。

CAA 方法需要高精度的數值求解方法、非常精細的網格以及聲波非反射邊界條件,因此計算代價較高。如果要計算遠場噪聲(比如幾百倍的機翼弦長遠處的噪聲傳播),CAA 方法則需要超大規(guī)模并行計算支持;但是如果計算近場噪聲(比如,機身表面的APU、空穴、微小部件擾動噪聲),CAA 方法是容易可行的。在大多包含近場噪聲的計算中,由于局部壓力波動導致的噪聲是可以通過ANSYS Fluent 準確模擬的。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)。當流動速度較低或亞音速流動時,而且近場中的噪聲源主要由局部壓力波動構成,則可以使用不可壓縮流動。然而,不可壓縮流動處理不能模擬回聲和聲波反射現象。

2Acoustic Analogy Modeling(聲比擬模型)

對于中場和遠場噪聲模擬,ANSYS Fluent 采用基于Lighthill 的“噪聲比擬”方法,作為CAA 方法的補充是ANSYS Fluent 中計算代價較小的方法之一?！霸肼暠葦M”方法不同于CAA 方法,它把波動方程和流動方程解耦,在近場流動解析采用適當的控制方程比如非定常雷諾平均、DES 分離渦或LES 大渦模擬等方法,然后再把求解結果作為噪聲源,通過求解波動方程得到解析解,這樣就把流動求解過程從聲學分析中分離出來。

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、偶極子和四極子產生的噪聲傳播。ANSYS Fluent 采用時域積分的方法(聲壓、噪聲信號與時間相關),通過少量的面積分計算指定位置的噪聲。

流場變量(如壓力、速度分量、源(散射)面的密度)時間精度的解的獲得需要求解面積分。時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特征如渦脫落等現象。

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。特別是針對飛行器高、亞音速流動,四極子噪聲影響不可忽略,ANSYS Fluent 中先進的基于“可穿透面積分”的FW-H 模型可以很好解決高、亞速氣動噪聲問題。

寬頻噪聲和音頻噪聲都可以通過精確求解流動中的噪聲源特征體現,但這對各種流動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求解的精度。

ANSYS Fluent 中的FW-H 噪聲模型可以選擇多個源面和接收位置,也可以保存噪聲源數據,或在瞬態(tài)流動求解過程中同時執(zhí)行噪聲計算。聲壓信號可以通過快速傅立葉(FFT)變換得到,結合ANSYS Fluent 后處理獲得全部聲壓標準(SPL)和能量譜范圍下的噪聲數據圖。

ANSYS Fluent 的FW-H 噪聲模型能夠預測聲波向自由空間的傳播,因此對于航空領域如飛行器繞流引起的遠場氣動噪聲可以得到比較準確的分析結果。FW-H 噪聲模型目前還不能預測封閉空間內或噪聲向密閉空間內部的傳播。

3Broadband(寬頻噪聲模型)

在許多工程應用中的湍流,噪聲沒有明顯的頻段,聲波能量連續(xù)分布在一個寬頻段范圍內按頻率連續(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,湍流參數通過RANS 方程求出,再用一定的半經驗修正模型(如 Proudman 方程模型、 邊界層噪聲源模型、 線性Euler 方程源項模型、Lilley 方程源項模型)計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:

Proudman 方程

• 最初由Proudman 于1952年導出,求解各項同性湍流噪聲(四極子噪聲源),Proudman 方程適用的假設是:高雷諾數、低馬赫數及各向同性湍流流動。計算公式如下:

• 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,計算公式如下:

湍流邊界層噪聲源項

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 源項模型對于評估局部偶極子噪聲源對總噪聲能量的貢獻非常有用。

• 對于三維增升裝置降低噪聲設計快速評估,Turbulent Boundary Layer Noise 源項不失為一種快速有效的方法。

線性Euler 方程源項

Source Terms in Linearized Euler Equations (LEE)

• 線化歐拉方程從N-S 方程導出,通過把流動分解為時均流、湍流和噪聲分量,同時假設噪聲分量遠遠小于時均流和湍流分量。方程如下:

• Shear noise 是由于時均流和湍流的交互作用產生,Self noise 是湍流流場自發(fā)產生的。

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

Lilley 方程源項

Lilley 方程是三階波動方程,由可壓縮流體的質量守恒和動量守恒方程聯合導出。Lilley方程源項包含Shear noise 和Self noise 兩項;Shear noise 包含時均流,但是Self noise 不包含。

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

Broadband 模型是CAA 和“聲比擬”方法的很好補充,特別是對飛機部件的降噪設計過程中,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中的哪一部分對噪聲影響最大。然而,這些源項模型不能預測接收位置的噪聲量級。

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

本文摘錄自網絡資源《ANSYS Fluent 氣動噪聲模型使用指南》

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