基于FLUENT的氣動噪聲仿真的理論基礎及實例

聲波是由聲源振動產生的,這個聲源可以是固體、液體、或者氣體,但是聲音最終都是通過空氣傳遞到人耳中。聲源振動使周圍空氣的質點交替成為密部和疏部,聲波就是通過不斷地密-疏-密的變換過程傳遞出去。因此,聲波是一種疏密波,也就是縱波。聲波一般和振動聯系在一起,他們的關系可以用下圖說明。

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通常普通人的感受到的震動(Vibration)頻率在20Hz以下,而噪聲(Noise)頻率在80Hz以上,20到80Hz之間的部分可以理解為身體和耳朵的雙重作用,稱之為聲音粗糙度(Harshness),在這個頻率區間中,即能感覺到有東西似乎懟著屁股突突突突突,又會聽見耳邊若有若無的啊啊啊啊啊。但是震動和噪聲的感受卻非常難以量化和客觀化,感受并不是實際可測得的如聲壓、聲強、聲壓級等如物理量。NVH最難以量化的就是感受這部分內容了。

Fluent仿真計算氣動噪聲(CAA)的原理是基于FW-H方程,這組方程就是氣動聲學研究的主要路線。網上有很多介紹,就不再贅述了。Fluent計算氣動噪聲的流程就是在通過準確的CFD流場計算得到流場壓力變化時程,這是CAA計算的基礎。一般來說,聲源的計算需要采用高級的湍流模型,如LES、DES,進行非穩態計算來實現。當然,URANS模型也可,不過計算出來的結果往往只有主要特征的影響,得不到細節方面的東西。

下面三個官方培訓算例,準確全面地介紹了CAA仿真。

圓柱繞流氣動噪聲FLUENT仿真 

圓柱繞流噪聲原理就是把圓柱表面劃分成一個個的微元,每個微元當做一個偶極子聲源,聲源的強度就是脈動壓力大小,然后對每一偶極子求解波動方程,得到其在聲接受點處的輻射聲壓,再把每個偶極子所產生的聲壓相加,就得到了總聲壓。FLUENT的聲學模塊就是通過利用CFD的計算結果,對FW-H方程求積分解,得到圓柱繞流噪聲。

Helmholtz共振腔氣動噪聲FLUENT仿真 

亥姆霍茲共振腔是一種以開放的孔通過氣體的容器,最簡單的就是一個空瓶子,當在頂部吹氣時,里面的空氣振動,可以聽到低而響亮的聲音;在澡堂里,穿著拖鞋走在一洼一洼的水漬中,經常聽到吱吱的聲音,也可以看成是亥姆霍茲共振腔的貢獻;工程中的應用也很廣泛,輪胎的胎噪,最主要的聲源也是輪胎花紋和路面之間空腔形成的亥姆霍茲共振腔,不同行駛速度可以看成為流動空氣的速度,因而胎噪通常與車輛行駛速度直接相關。

汽車運行過程中寬頻氣動噪聲FLUENT 

汽車行駛中外流場與車身表面發生作用形成的噪聲為寬頻噪聲。當車輛高速行駛時,一方面車輛與周圍的空氣流場產生劇烈的相互作用,流場就在車輛表面形成一個邊界層,同時產生強大的分離流、渦流和湍流。流動中的渦流和湍流相互作用,產生強大的脈動壓力,脈動壓力激勵車身壁板,在車內產生輻射噪聲。這是誘發車輛氣動噪聲的主要原因;另一方面,空氣流通過車身密封條傳遞噪聲,或者氣流通過頂窗和側窗與乘坐室空腔產生噪聲,即為前面介紹的例子,亥姆霍茲共振腔導致的噪聲。

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