Fluent中的氣動聲學模型
Fluent提供了三種計算氣動噪聲的方法:直接方法、混合方法和利用寬帶噪聲源模型的方法。其中在混合方法中,Fluent提供了兩種方法,即Ffowcs Williams- Hawkings積分方法及基于波動方程有限體積求解器的差分聲波傳播方法。
1、直接方法
該方法通過求解相應的流體動力學方程,直接計算聲波的產生和傳播。聲波的預測需要控制方程的時間精確解。此外,在直接方法的大多數實際應用中,必須使用能夠模擬粘性和湍流效應的控制方程,如非定常Navier-Stokes方程(即DNS)、RANS方程,以及在LES和混合RANS-LES模型中使用的過濾方程。
因此,直接法計算非常困難且消耗計算資源,因為其需要高度精確的數值求解,非常精細的計算網格,以及聲學上無反射的邊界條件。當在遠場中預測聲音時,計算成本變得令人望而卻步(例如,在翼型問題中需要數百個弦長)。當接收器處于近場(如艙內噪聲)時,直接方法變得可行。在許多涉及近場聲音的情況下,聲音(或偽聲音)主要是由于局部動水壓力,可以以合理的成本和精度預測。
由于在這種方法中聲音傳播是直接求解的,所以通常需要求解可壓縮形式的控制方程(例如,可壓縮的RANS方程,可壓縮形式的LES濾波方程)。只有在低亞音速流動和近場接收器主要感知局部動水壓力波動(即偽聲)的情況下,才能使用不可壓縮流動公式。但是這種不可壓縮的處理也無法模擬共振和反饋現象。
2、Ffowcs Williams-Hawkings積分方法
對于中場到遠場噪聲的預測,基于Lighthill聲類比方法為直接方法提供了可行的替代方案。該方法利用非定常RANS方程、DES、SAS、SDES、SBES或LES等控制方程得到的近場流動,借助波動方程的解析積分解來預測聲音。聲學類比本質上把聲音的傳播與其產生分離開來,使人們能夠將流動求解過程與聲學分析分離開來。
ANSYS FLUENT提供了一種基于FWOWCS Williams and Hawkings(FW-H)公式的方法。FW-H公式采用了Lighthill聲類比的通用形式,能夠預測單極子、偶極子和四極子等等效聲源所產生的聲音。FLUENT采用時域積分公式,通過計算幾個表面積分,直接計算出指定接收位置的聲壓或聲信號的時間歷程。
流場變量(如聲源面的壓力、速度分量和密度等)的時間精確解是計算表面積分的必要條件。時間精確解可以從非定常RANS方程、大渦模擬(LES)或混合RANS-LES模型中獲得,以適用于手頭的流動和想要捕捉的特征(如渦脫落)。聲源面不僅可以放置在不透水的壁面上,還可以放置在內部(滲透)面上,這使得能夠考慮聲源面所包圍的四極子的貢獻。寬頻噪聲和聲調噪聲都可以根據流動計算中考慮的流動性質(噪聲源)、湍流模型的使用以及流動的時間尺度進行預測。
FLUENT中的FW-H模型的一個重要缺陷是其只適用于預測聲音在自由空間的傳播。因此雖然該模型可以合理地用于預測由外部空氣動力流動(如地面車輛和飛機周圍流懂)引起的遠場噪聲,但它不能用于預測管道或墻壁封閉空間內的噪聲傳播。
3、基于波動方程的方法
這種混合模擬方法是為了模擬低馬赫數流動的氣動聲學,聲源的計算采用不可壓縮流動模型,聲源產生的聲音傳播的計算采用微分波動方程。Fluent中實現的聲學波動方程是由Ewert和Schroeder 在恒密度流動假設下推導出的聲擾動方程。該模型的主要優點是:
與僅適用于開放空間聲傳播模型的Ffowcs Williams-Hawking積分求解器相比,擴展了適用性
簡單方便的混合氣動聲學仿真工作流程,不需要通過磁盤文件在不同軟件組件之間進行任何數據交換,也不需要在不同網格上對聲源插值。采用同計算域、同計算網格的流體流動和噪聲傳播的瞬態聯合模擬。
4、寬帶噪聲源模型
在許多涉及湍流的實際應用中,噪聲沒有任何明顯的聲調,聲能量在很寬的頻率范圍內連續分布。在涉及寬帶噪聲的情況下,可以利用從RANS方程計算的統計湍流量,結合半經驗關系式及Lighthill聲類比,來揭示寬帶噪聲的來源。
FLUENT提供了幾個這樣的聲源模型,能夠量化局部貢獻(單位面積或體積)的流動產生的總聲功率。其中包括:
Proudman模型
射流噪聲源模型
邊界層噪聲源模型
線性歐拉方程源項
Lilley方程源項
考慮到人們最終是想要提出一些措施來降低噪聲,因此利用噪聲源模型可以對聲源進行診斷,以確定流動的哪一部分是產生噪聲的主要原因。需要注意的是,這些聲源模型并不能預測接收器處的聲音。
與直接法和FW-H積分法不同,寬帶噪聲源模型不需要對任何流體動力學方程進行瞬態求解。噪聲源模型所需要的是典型的RANS模型所提供的物理量(如平均速度場、湍動能和湍流耗散率等)。因此使用寬帶噪聲源模型需要計算資源較少。
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