氣動噪聲是由于氣流流過固體表面引起的氣流壓力擾動產(chǎn)生，它起因于氣體內(nèi)部的脈動質(zhì)量源（單極子噪聲源）、作用力的空間梯度（偶極子噪聲源）和應(yīng)力張量的變化（四極子噪聲源）。氣動噪聲問題在各種高速機(jī)械中均有產(chǎn)生，比如高鐵、飛機(jī)、汽車以及旋轉(zhuǎn)機(jī)械等領(lǐng)域（見圖1）。

圖1 氣動噪聲的應(yīng)用領(lǐng)域

ANSYS Fluent提供了三種解決氣動噪聲的方法，分別是直接計(jì)算法（CAA）、聲比擬法（FW-H方程）、寬頻法（Boardband Model）（見圖2）。由于聲波方程可認(rèn)為是三維可壓縮N-S湍流方程的變形形式，所以求解N-S方程可以描述聲波產(chǎn)生和傳播現(xiàn)象。

但流動和聲學(xué)變量尺度跨度很大，所以CAA方法對于精度要求和硬件要求都很高，在實(shí)際工程問題中不可行。而更多采用的是將波動方程和流動方程解耦的聲比擬法和寬頻方法。具體理論方程可參考ANSY。

圖2 ANSYS Fluent中氣動聲學(xué)模型

以軸流風(fēng)機(jī)為例，對其氣動噪聲進(jìn)行仿真。首先進(jìn)行穩(wěn)態(tài)流場計(jì)算，可采用多參考系（MRF），為后面的瞬態(tài)計(jì)算提供初始流場；其次，可采用滑移網(wǎng)格進(jìn)行瞬態(tài)計(jì)算，控制時(shí)間步長，且至少得到多個(gè)周期的變化方可結(jié)束；然后，開啟聲比擬模型，設(shè)置sources及receivers，進(jìn)行聲場仿真，并輸出相關(guān)參數(shù)變化曲線；最后，通過傅里葉變換（FFT）得到聲壓級頻譜曲線（見圖3）。

圖3 聲壓級頻譜曲線

注意（見圖4）：

網(wǎng)格數(shù)需加密，可參考最小聲波長，設(shè)定最小的網(wǎng)格尺寸；湍流方程需采用高階方程，如LES、DES等；如有條件，可采用并行加速方法來加快計(jì)算速度。

圖4 氣動噪聲仿真的注意點(diǎn)

風(fēng)機(jī)氣動噪聲的優(yōu)化，可通過流場中靜壓、渦量及湍流動能等參數(shù)的大小來進(jìn)行優(yōu)化預(yù)測，然后通過改善導(dǎo)流罩、葉型以及其它參數(shù)結(jié)構(gòu)來降低噪聲。可通過DesignXplorer模塊，實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)優(yōu)化（見圖5）。

圖5 Workbench平臺在DesignXplorer模塊及其多目標(biāo)優(yōu)化功能