作者 | 吳  昌  MSC CFD高級(jí)工程師

                 白長(zhǎng)安  MSC聲學(xué)高級(jí)工程師

            * 友情提示：文末有驚喜

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前言

     噪聲源主要有兩種構(gòu)成，振動(dòng)噪聲源和氣動(dòng)噪聲源。顧名思義，振動(dòng)噪聲是由結(jié)構(gòu)振動(dòng)輻射出來(lái)的噪聲，氣動(dòng)噪聲是由流體流動(dòng)中的湍流引起并傳播出來(lái)的噪聲。在很多應(yīng)用場(chǎng)景中，了解并掌握氣動(dòng)噪聲如何產(chǎn)生以及如何傳播對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)有很大意義。比如，下圖中汽車(chē)風(fēng)噪聲，汽車(chē)在高速行駛時(shí)后視鏡和側(cè)窗區(qū)域形成的風(fēng)噪會(huì)傳入車(chē)內(nèi)；風(fēng)機(jī)在旋轉(zhuǎn)做功時(shí)會(huì)切割空氣并產(chǎn)生渦流，形成周期性較強(qiáng)的離散噪聲和寬頻帶的渦流噪聲；空調(diào)管道內(nèi)流速過(guò)快時(shí)產(chǎn)生的湍流噪聲等。關(guān)于氣動(dòng)噪聲的定義和解釋?zhuān)梢宰匪莸?976年M.E. Goldstein的定義:"Aeroacoustics is concerned with sound generated by aerodynamic forces or motions originating in a flow rather than by the externally applied forces or motions of classical acoustics. Thus, the sounds generated by vibrating violin strings and loudspeakers fall into the category of classical acoustics, whereas sounds generated by the unsteady aerodynamic forces on propellers or by turbulent flows fall into the domain of aeroacoustics." 

圖1  常見(jiàn)氣動(dòng)噪聲源及其傳播

     關(guān)于氣動(dòng)噪聲的理論發(fā)展歷程，筆者調(diào)研了部分文獻(xiàn)如下，可以幫助大家了解其起源及發(fā)展過(guò)程：

• 在流體力學(xué)方面，法國(guó)工程師Navier和英國(guó)劍橋大學(xué)教授Stockes分別于1827年和1845年推導(dǎo)出流體運(yùn)動(dòng)方程(即N---S方程)
• 1952年，Lighthill聲類(lèi)比方程，氣流聲學(xué)誕生，自由空間，四極子理論
• 推導(dǎo)出湍流導(dǎo)致的四極子源的聲功率與馬赫數(shù)的8次方成正比，標(biāo)志著現(xiàn)代氣動(dòng)-聲學(xué)的誕生。
• 1955年，Curl理論，靜止邊界影響，四極子+偶極子
• 1960年，Philips方程，高超音速流問(wèn)題
• 1964年，Powell渦聲理論，低馬赫數(shù)，數(shù)值計(jì)算可能性
• 1969年，F(xiàn)W-H方程，氣動(dòng)噪聲傳播方法
• 1974年，Goldstein格林函數(shù)法，廣義的Lighthill方程，運(yùn)動(dòng)物體發(fā)聲問(wèn)題
• 1975年，Howe用流體渦量和所發(fā)生的聲場(chǎng)有關(guān)聲微粒速度來(lái)描述流場(chǎng)與聲場(chǎng)相互作用，并借助1964年P(guān)owell提出的理論，從而形成Powell-Howe渦聲理論。

     同樣在文獻(xiàn)和資料中可以獲得在實(shí)際的工程應(yīng)用中，各國(guó)專(zhuān)家首先應(yīng)用風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)解決實(shí)際工程中的氣動(dòng)噪聲問(wèn)題：

• 1972年，德國(guó)學(xué)者對(duì)15種不同汽車(chē)測(cè)試，車(chē)速87Km/h時(shí)，車(chē)內(nèi)噪聲62-78dB(A); 136.6Km/h時(shí)，車(chē)內(nèi)噪聲72-87dB(A);

• 1978年，Watanabe等，車(chē)輛外形影響，誘發(fā)氣動(dòng)噪聲的脈動(dòng)壓力和渦流流動(dòng)密切相關(guān)

• 1986年，A.Lorea等，車(chē)內(nèi)氣動(dòng)噪聲，背景噪聲分離，噪聲貢獻(xiàn)最大區(qū)域

• 1990年，美國(guó)學(xué)者A.R.George闡述氣動(dòng)噪聲產(chǎn)生機(jī)理，空氣脈動(dòng)壓力

     90年代初，各國(guó)開(kāi)始采用計(jì)算氣動(dòng)聲學(xué)（CAA）數(shù)值仿真解決實(shí)際工程問(wèn)題：

• 90年代初，日本馬自達(dá)，車(chē)內(nèi)壓力脈動(dòng)對(duì)車(chē)內(nèi)車(chē)外聲場(chǎng)的影響，A柱前側(cè)窗處

• 1994年，李世巖，邊界元，車(chē)內(nèi)聲場(chǎng)，中高頻誤差較大

• 1999年，F(xiàn).Han，能量流分析方法，處于湍流邊界層及分離再附著流場(chǎng)中的薄板，受脈動(dòng)壓力激勵(lì)后結(jié)構(gòu)振動(dòng)相應(yīng)和輻射聲能

• 2000年以后，氣動(dòng)噪聲仿真開(kāi)始廣泛應(yīng)用

     在氣動(dòng)噪聲的模擬計(jì)算中，工程師往往關(guān)注以下幾點(diǎn)：優(yōu)化設(shè)計(jì)的快速性、是否可能在設(shè)計(jì)前期就進(jìn)行噪聲預(yù)測(cè)、仿真計(jì)算的網(wǎng)格規(guī)模、能否有效控制仿真成本、節(jié)約計(jì)算時(shí)間等。目前同樣在Hexagon|MSC Software公司旗下的scFLOW和Actran軟件就實(shí)現(xiàn)了無(wú)縫連接，可以有效提高氣動(dòng)噪聲的計(jì)算效率。下面就給大家介紹MSC Software公司的scFLOW和Actran是如何聯(lián)合進(jìn)行氣動(dòng)噪聲模擬的。

   Cradle公司自1984年成立以來(lái)，一直致力于開(kāi)發(fā)實(shí)用性較強(qiáng)的CFD軟件，并提供包括銷(xiāo)售，技術(shù)支持，培訓(xùn)，研討會(huì)，以及根據(jù)客戶(hù)要求進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)和工程咨詢(xún)的整體服務(wù)。通過(guò)提供為客戶(hù)定制的培訓(xùn)。項(xiàng)目支持以及軟件的二次開(kāi)發(fā)，更好地滿(mǎn)足客戶(hù)特殊需求。Cradle 軟件隨著硬件性能日新月異的飛速發(fā)展不斷成長(zhǎng)。為了成分發(fā)揮硬、軟件雙方的特性，為客戶(hù)提供滿(mǎn)意的計(jì)算平臺(tái)，是軟件不僅成為研究人員及專(zhuān)家的工具，還能為設(shè)計(jì)人員及第一線(xiàn)的工作人員所用，成為操作簡(jiǎn)單，易于使用的檢查和評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)方案的工具。2016年Cradle作為通用流體解決方案加入美國(guó)MSC力學(xué)軟件公司。

     scFLOW是日本Cradle軟件公司開(kāi)發(fā)的基于非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的熱流體分析軟件，廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、機(jī)械、電氣、精密設(shè)備、水利、國(guó)防、環(huán)境等領(lǐng)域。從1998年開(kāi)始到現(xiàn)在全球已經(jīng)有上千家用戶(hù)，在日本有30%的市場(chǎng)份額，幾乎所有的日本韓國(guó)知名公司都是scFLOW軟件的用戶(hù)。scFLOW使用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格以控制體積法（FVM）為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)而成，其功能全面，適用性廣，將不同領(lǐng)域的計(jì)算軟件特點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，成為CFD計(jì)算機(jī)軟件群，即集建模、劃分網(wǎng)格、求解、后處理所有功能集成為一體的（All-in-one）熱流體分析系統(tǒng)，該軟件徹底地改變了過(guò)去的CFD軟件產(chǎn)品在“速度”、“簡(jiǎn)潔化”和“價(jià)格”方面的形象，其強(qiáng)大的網(wǎng)格劃分能力，豐富的物理模型，計(jì)算低內(nèi)存消耗，高性能計(jì)算速度和精度，基于尖端技術(shù)開(kāi)發(fā)的豐富生動(dòng)的可視化技術(shù)已被眾多用戶(hù)所認(rèn)可。

      

（1）螺旋槳空化分析 （2）方程式賽車(chē)外氣動(dòng)分析

圖2 基于scFLOW的CFD分析

    FFT（MSC子公司）旗下的Actran是國(guó)內(nèi)外通用的聲學(xué)模擬軟件，由于精細(xì)的建模方法，便捷的操作流程及精準(zhǔn)的計(jì)算精度被廣大用戶(hù)所接納。Actran主要基于聲學(xué)有限元求解各類(lèi)聲學(xué)問(wèn)題，同時(shí)包含聲學(xué)無(wú)限元、完美匹配層、間斷伽遼金（DGM）、統(tǒng)計(jì)能量方法（新版本）等多類(lèi)方法，可用來(lái)求解范圍廣泛的振動(dòng)噪聲與氣動(dòng)噪聲問(wèn)題。Actran便捷易操作的前后處理界面也是一大亮點(diǎn)。近年來(lái)，由于Actran在氣動(dòng)噪聲的優(yōu)異表現(xiàn)，如汽車(chē)風(fēng)噪聲、風(fēng)機(jī)類(lèi)旋轉(zhuǎn)機(jī)械噪聲、航空發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲等方面的卓越表現(xiàn)，已經(jīng)逐步成為產(chǎn)品開(kāi)發(fā)必不可少的仿真工具。

圖3  Actran聲學(xué)仿真典型問(wèn)題

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氣動(dòng)噪聲計(jì)算的挑戰(zhàn)

      

      眾所周知，氣動(dòng)噪聲中聲壓只是流體壓力中很小的一部分。拿汽車(chē)風(fēng)噪聲舉例，100 km/h行駛速度的轎車(chē)，動(dòng)壓約為500Pa，而聲壓僅為0.11Pa（75dB）；可想而知，我們?cè)谕ㄟ^(guò)CFD直接計(jì)算氣動(dòng)噪聲時(shí)，如同在波濤洶涌的海面（動(dòng)壓）上辨別投石引起的波浪（聲壓），困難較大，通常我們采用流體（CFD）+聲學(xué)（Acoustic）聯(lián)合仿真的方式。

圖4  汽車(chē)風(fēng)噪及相關(guān)示意圖

       氣動(dòng)噪聲源采用聲類(lèi)比方法提取，這要基于一個(gè)重要的假設(shè)：湍流流動(dòng)引發(fā)聲學(xué)場(chǎng)，但是聲學(xué)場(chǎng)對(duì)流體沒(méi)有反饋的影響，如下圖所示：

圖5 流場(chǎng)與聲場(chǎng)的作用關(guān)系

      正如前面介紹的，聲場(chǎng)中的聲壓脈動(dòng)相對(duì)于流體里面的壓力脈動(dòng)是很小的一個(gè)量。這個(gè)假設(shè)對(duì)于幾乎所有的氣動(dòng)噪聲源都是有效的。上述的假設(shè)提出后，就可以用兩個(gè)步驟來(lái)計(jì)算氣動(dòng)噪聲：

第1步： 計(jì)算不穩(wěn)定流場(chǎng)，此時(shí)不關(guān)心聲傳播。這是在CFD求解器中完成的；

第2步： 計(jì)算氣動(dòng)噪聲源及其傳播過(guò)程。這是在Actran中完成的；除此之外，目前scFLOW可以直接在內(nèi)部調(diào)用Actran求解器。

      在Actran中可以使用兩種不同的聲類(lèi)比方法：Lighthill聲類(lèi)比，適用于低馬赫數(shù)（Ma<0.3）氣動(dòng)噪聲；M?hring聲類(lèi)比，適用于更高的馬赫數(shù)（Ma>0.3）。Lighthill 聲類(lèi)比和M?hring聲類(lèi)比都基于CFD中的N-S方程和連續(xù)性方程推導(dǎo)獲得，Lighthill聲類(lèi)比方法無(wú)法考慮流體流動(dòng)對(duì)聲傳播的影響，所以?xún)H能用于低馬赫數(shù)氣動(dòng)噪聲計(jì)算。

      在氣動(dòng)噪聲計(jì)算過(guò)程中所有相鄰的CFD單元的結(jié)果都能映射到聲學(xué)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，如下圖所示；這種方法不需要對(duì)聲源區(qū)域的聲學(xué)網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化就能保證計(jì)算非常準(zhǔn)確，因?yàn)樗褂昧?a href="http://www.yqgqt.org.cn/service/pointwise" class="jsk-anchor">CFD網(wǎng)格中包含的所有信息。氣動(dòng)聲源被映射到聲學(xué)網(wǎng)格上，就可以運(yùn)行Actran計(jì)算。Actran的計(jì)算不局限于簡(jiǎn)單的聲傳播，還可以通過(guò)復(fù)雜的傳播路徑來(lái)計(jì)算空氣聲學(xué)源的聲學(xué)傳播，如可以增加吸收材料或穿孔板，可以計(jì)算由氣動(dòng)聲源引起的結(jié)構(gòu)的振動(dòng)等等。

圖6  信息映射過(guò)程及聲傳播

圖7  混合方法求解空調(diào)管道氣動(dòng)噪聲

如上圖所示，偉世通（Visteon）采用混合方法來(lái)計(jì)算空調(diào)管道氣動(dòng)噪聲，并發(fā)表在SAE國(guó)際大會(huì)上。研究的案例是一個(gè)汽車(chē)空調(diào)管道，空氣通過(guò)前端系統(tǒng)注入，一個(gè)麥克風(fēng)位于管道前方，以記錄噪聲大小。為了重現(xiàn)這個(gè)實(shí)驗(yàn)，工程師進(jìn)行瞬態(tài)CFD計(jì)算，然后建立Actran模型求解氣動(dòng)噪聲。計(jì)算完畢可以得到Lighthill聲源分布，聲場(chǎng)分布云圖及監(jiān)測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)頻譜與實(shí)驗(yàn)的對(duì)比結(jié)果。使用混合方法計(jì)算的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常匹配，這一結(jié)果使韓松系統(tǒng)（Hanon systems）工程師確信該方法很適合預(yù)測(cè)氣動(dòng)噪聲。   

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“scFLOW2Actran”氣動(dòng)聲學(xué)包概覽

    CFD分析軟件的界面和聲學(xué)分析軟件的界面有些許差異，為了解決流體工程師在氣動(dòng)聲學(xué)部分的使用習(xí)慣問(wèn)題，我們推出“scFLOW2Actran”氣動(dòng)聲學(xué)包，能夠?qū)崿F(xiàn)聲流耦合分析流程和操作上的無(wú)縫銜接。實(shí)現(xiàn)了在CFD軟件scFLOW中進(jìn)行氣動(dòng)聲學(xué)的全面分析，不僅能夠計(jì)算出聲源，還能夠考慮流動(dòng)噪聲的產(chǎn)生和傳播。也就是說(shuō)整個(gè)氣動(dòng)聲學(xué)的解析流程，全部在scFLOW中進(jìn)行，不必打開(kāi)Actran界面。

“scFLOW2Actran”氣動(dòng)聲學(xué)包的執(zhí)行機(jī)制如下：

（1） 通過(guò)scFLOW計(jì)算聲源，為Actran計(jì)算提供數(shù)據(jù)支持。

①Actran 讀取scFLOW的結(jié)果文件（ FPH ）。

②不僅支持非穩(wěn)態(tài)計(jì)算，也支持穩(wěn)態(tài)計(jì)算。

（2） Actran的求解設(shè)定，網(wǎng)格劃分可以在scFLOW界面中進(jìn)行。

（3） Actran的求解可以在scFLOW界面中調(diào)用。

①流體計(jì)算，數(shù)據(jù)交互，聲學(xué)計(jì)算在scFLOW求解界面中進(jìn)行。

（4）Ac tran的結(jié)果（h5）可以在scFLOW后處理中可視化。          

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“scFLOW2Actran”氣動(dòng)聲學(xué)包解析流程

（1） “scFLOW2Actran”的氣動(dòng)聲學(xué)解析流程。

圖8  非穩(wěn)態(tài)氣動(dòng)聲學(xué)解析流程

• 在非穩(wěn)態(tài)解析流程中，ActranICFD 與 scFLOWsolver同時(shí)執(zhí)行。
• Actran ICFD從流動(dòng)解析中提取聲源信息，并傳遞給Actran。

• 傳遞結(jié)束后可自動(dòng)刪除流體結(jié)果以節(jié)約硬盤(pán)空間。
• 在穩(wěn)態(tài)分析中，scFLOWsolver和ActranI ICFD是相繼執(zhí)行的。

（2） scFLOW中關(guān)于“scFLOW2Actran”的設(shè)定界面

雖然設(shè)定界面都在scFLOW中進(jìn)行，但聲學(xué)相關(guān)的數(shù)據(jù)格式還是Actran相關(guān)的數(shù)據(jù)格式，CFD相關(guān)的數(shù)據(jù)格式還是scFLOW相關(guān)的數(shù)據(jù)格式。只將流程整合，網(wǎng)格和求解功能還是分別在各自的“內(nèi)核”中實(shí)現(xiàn)。

圖9  CFD分析和聲學(xué)分析相關(guān)的文件格式

在scFLOW中進(jìn)行氣動(dòng)聲學(xué)解析時(shí)，需要在 [Environment Settings] - [Project Configuration] - [Project Type], 選擇相關(guān)的“session”。

流體解析：[scFLOW2Actran: Fluid Session]

聲學(xué)解析：[scFLOW2Actran: Acoustic Session]

圖10  scFLOW中流體和聲學(xué)模塊的選擇

聲學(xué)的求解設(shè)定也在scFLOW中實(shí)現(xiàn)，以下展示scFLOW中聲學(xué)的設(shè)定界面。

圖11 scFLOW中聲學(xué)設(shè)定界面

當(dāng)選擇acoustic session中的[conditions]時(shí)，界面展示聲學(xué)相關(guān)的條件設(shè)定。

包含以下設(shè)定：

• 流體解析數(shù)據(jù)傳遞相關(guān)設(shè)定及材料設(shè)定（Basic Setting）
• 面區(qū)域的無(wú)反射邊界條件設(shè)定（Boundary Condition）
• 聲學(xué)解析結(jié)果的輸出設(shè)定（OutputSetting of Analysis Data）
• 聲學(xué)解析輸入和輸出相關(guān)文件的名稱(chēng)（File Name）

需要分別輸出流體的聲學(xué)相關(guān)的數(shù)據(jù)文件。輸出界面和相關(guān)格式如下圖所示。

圖12 文件輸出界面

將fluid session部分輸出的CMB文件拖入scFLOW的求解監(jiān)控器并執(zhí)行，監(jiān)控器將調(diào)用流體和聲學(xué)的求解器進(jìn)行相關(guān)求解，但求解監(jiān)控曲線(xiàn)全部在scFLOW的監(jiān)控器中顯示。

圖13 聲學(xué)和流體求解的監(jiān)控

（3）“scFLOW2Actran”的聲學(xué)網(wǎng)格和聲學(xué)后處理

“scFLOW2Actran”模塊的核心是將Actran的氣動(dòng)聲學(xué)功能集成在scFLOW的界面中，scFLOW前處理可以為Actran劃分聲學(xué)網(wǎng)格，如下圖所示。

圖14 scFLOW為Actran劃分聲學(xué)網(wǎng)格

同時(shí)，可以用scFLOW的后處理對(duì)Actran的結(jié)果進(jìn)行后處理。將(* .H5)格式的數(shù)據(jù)讀入到scFLOW的后處理器中，展示聲波的傳播過(guò)程，如下圖所示。

圖15 scFLOW后處理展示聲波的傳播 

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應(yīng)用實(shí)例

 我們將在海克斯康大學(xué)的視頻公開(kāi)課中，以HVAC系統(tǒng)的氣動(dòng)噪聲解析為例，向大家展示如何在scFLOW界面中，實(shí)現(xiàn)全面的氣動(dòng)聲學(xué)分析（聲源和聲輻射）。

圖16 基于“scFLOW2Actran” 的HVAC系統(tǒng)氣動(dòng)噪聲解析

實(shí)例

視頻公開(kāi)課

《基于“scFLOW2Actran”的HVAC系統(tǒng)

氣動(dòng)噪聲解析》

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