1.  摘要

能源、船舶、電力行業常見的載流管道，通常包含彎頭、三通、異徑、閥門等流動奇異處，當流體(液體、氣體)在管內流動時會形成湍流。從定性的角度分析可得，湍流自身含有的湍動能一部分作為管道結構振動的激勵作用在管壁上，引起管壁的振動以及向外輻射噪聲，另一部分能量將作為流動聲源在管內產生噪聲。流致噪聲在航海、航空領域受到高度的關注，它不僅造成飛機、直升機艙室乘員感觀和心理上的不適，還嚴重影響水下作戰平臺（如潛艇）的隱蔽性。流致噪聲是指由于運動流體與固體邊界相互作用以及流體內部湍流所引起的輻射噪聲。其主要激發機理是由于固體與流體的相對運動以及流體自身的不規則運動所激起的流體內部及壓力擾動在介質中的傳遞。

自上世紀50年代，我國就已開展了湍流噪聲方面的研究，但進展緩慢；而且早期研究主要集中于湍流邊界層的近場特性，對流體自輻射噪聲的研究較少。時至今日，湍流噪聲的理論研究大都基于Lighthill聲比擬方程、Powell渦聲理論及Kirchhoff理論；其中Powell渦聲理論和Kirchhoff理論均是基于Lighthill聲比擬理論發展而來。
    當流體流經封閉的障礙物管時，在障礙物管和主管道連接處由于慣性、流體內摩擦力、邊界層脫落效應的耦合疊加而產生漩渦脫落，其形成的管內噪聲是管道聲致振動疲勞損傷的重要原因。本技術貼從典型的漩渦脫落管內噪聲為例，介紹管內流動噪聲的計算方法。

本文使用ANSYS Fluent 19.0軟件，對圓柱擾流流動所引起的誘導噪聲進行聲比擬仿真，內容包括網格導入、模型選擇、材料物性、邊界條件、求解參數、后處理的設置。通過聲比擬方法獲得擾流流場和噪聲。

 

2.  模型仿真描述

本仿真為2D模型，圓柱直徑為1.9cm，來流風速為69.2m/s。基于直徑的雷諾數為90000，流場的計算域上游為5倍的圓柱直徑，下游為20倍圓柱直徑，采用2D LES模型進行模擬。

3.  操作步驟

3.1.  創建工作目錄并啟動Fluent

啟動Fluent 19.0，在Fluent Launcher中，Dimension選擇2D，Display Options中勾選Display Mesh After Reading和Workbench Color Scheme，勾選Double Precision，Processing Options選擇Serial，點擊OK啟動Fluent。

 

3.2.  導入網格文件

菜單中點擊【File】>【Read】>【Mesh…】，選取網格文件cylinder2d.msh.gz，點擊OK導入網格。此時，圖形界面中可以查看導入的網格。

 

3.3.  General一般設置

在最左側的樹中，鼠標左鍵雙擊【Setup】>【General】，進行網格相關的操作以及選擇求解器。

3.4.  Models模型設置

在最左側的樹中，鼠標左鍵雙擊【Setup】>【Models】，進行物理模型設置。

 

3.4.1.  設置求解類型

在General下選擇Solver Type為Pressure-Based，Velocity Formulation為Absolute，Time為Transient，2D Space為Planar。

 

3.4.2.  選擇湍流模型

由于LES模型在2D下默認為不激活狀態，因此需要在Console窗口中輸入相應的命令來激活使用。

在Console窗口中輸入：(rpsetvar 'les-2d? #t)

然后在樹中【Setup】>【Models】>【Viscous】，鼠標左鍵雙擊Viscous，Model中選擇Large Eddy Simulation(LES)，設置Subgrid-Scales Model為Smagorinsky-Lilly。其余設置默認，點擊OK完然后在樹中【Setup】>【Models】>【Viscous】，成設置。

   

點擊完OK后將看到一個信息框，提示LES模型默認將動量方程改為Bounded Central-Differencing。點擊OK確認。

 

3.5.  Materials材料設置

在最左側的樹中，鼠標左鍵雙擊【Setup】>【Materials】，進行材料物性設置。

在Materials的Task Page中選中Fluid下的air，點擊Create/Edit…，在彈出的Create/Edit Materials窗口中，保留參數默認設置，點擊Close退出材料屬性定義。

3.6.  Cell Zone Conditions設置

在最左側的樹中，鼠標左鍵雙擊【Setup】>【Cell Zone Conditions】，進行體網格區域條件的設置。

 

在Cell Zone Conditions的Task Page中點擊【Operating Conditions…】，在彈出的Operating Conditions窗口中，默認設置Operating Pressure為101325 pascal，點擊OK退出。 

選中air，點擊Edit…，確認Material Name中的材料為air，點擊OK關閉對話框。

 

3.7.  Boundary Conditions設置

在最左側的樹中，鼠標左鍵雙擊【Setup】>【Boundary Conditions】，進行邊界條件的設置。 

3.8.  Solution Methods求解方法設置

在最左側的樹中，鼠標左鍵雙擊【Solution】>【Methods】，進行求解方法的設置。

選擇Spatial Discretization下Gradient為Least Squares Cell Based，Pressure為PRESTO!， Momentum為Bounded Central Differencing格式。改Transient Formulation為Bounded Second Order Implicit。勾選Non-Iterative Time Advancement選項。選擇Pressure-Velocity Coupling下Scheme為Fractional Step。

3.9.  Solution Controls設置

在最左側的樹中，鼠標左鍵雙擊【Solution】>【Controls】，進行松弛因子的設置。設置Pressure為0.7，Momentum中填入1。

 

3.10.  Monitors監視設置

樹中【Solution】>【Monitors】>【Residual】，鼠標左鍵雙擊，確保Plot選項被勾選。設置Options下Iterations to Plot為20，Iterations to Store為10000，其余設置保持默認，點擊OK完成設置。 

3.11.  Initialization初始化

樹中【Solution】>【Initialization】，鼠標左鍵雙擊Initialization，在Task Page中確認Initialization Methods選擇為Standard Initialization，在Compute from下拉菜單設置為inlet。點擊Initialize按鈕進行初始化。

 

3.12.  Run Calculation運行計算

樹中【Solution】>【Run Calculation】，鼠標左鍵雙擊Run Calculation，在Task Page中的Time Step Size中輸入5e-6^[1]，Number of Iterations輸入20。點擊Calculate開始運行計算。

 

[1]LES計算時的時間步取決于最小渦的尺度，需要CFL數為1的量級。在初始計算時很難判斷合適的時間步長，因此在流動成型后還需要進行調整。對于一個給定的時間步Δt，聲學分析能夠獲得的最高頻率為f=1/(2Δt)。此處設置的時間步，最大頻率為100kHz。在大部分的噪聲計算中，最大頻率往往超出人耳所能聽及的范圍。

運行計算開始后，可以在視圖窗口中看到殘差曲線隨迭代步數的變化。

計算進行了20步迭代后彈出Information窗口顯示計算已經完成。點擊OK完成計算。

3.13.  瞬態計算

在左側樹中選擇【Solution】>【Run Calculation】，雙擊Run Calculation，設置Number of Time Steps為4000，計算至物理時間的0.02s后（5e-6s/step×4000step）的結果。 

檢查時間步是否合理

樹中【Results】>【Plots】>【Histogram】，雙擊Histogram。在Histogram of下選擇Velocity…，選中Cell Convective Courant Number，將Divisions設置為100，點擊Plot。 

查看到CFL數的分布情況，可以看到CFL數最大值小于3.5，絕大部分的CFL數分布在小于1的范圍內，由此得出當前時間步為合理的時間步。后續計算可以參考此時間步進行。

保存case&data為cylinder2d_t0.02.cas.gz和cylinder2_t0.02.dat.gz。

3.14.  氣動噪聲計算

3.14.1.  設置噪聲模型

樹中【Setup】>【Models】>【Acoustics】，雙擊Acoustics，在彈出的對話窗口中Model下選擇Ffowcs-Williams & Hawkings。點擊勾選Export Options下的Export Acoustic Source Data in ASD Format。

點擊Define Sources…，在彈出的對話框中Source Zones下選擇wall_cylinder，Source Data Root File Name中填入cylinder2d，Write Frequency為2^[2]，Number of Time Steps per File為200^[3]。點擊Apply，點擊Close關閉設置窗口。

[2]由于物理時間步大小和流動的時間尺度差別很大，沒有必要在每一個時間步寫出噪聲源數據。本案例中，源數據在時間因子上設置為2。因此最高可以分析到的頻率減小為f=1/[2(2△t)]=50kHz

[3]源數據被打包分成眾多源數據文件集。這樣可以在計算接收信號時分序列進行，簡化流程。200值為每個源數據文件包含了200個時間步，寫出頻率為2則表示每個源數據文件最終將寫入100個數據系列。

3.14.2.  調整求解控制

樹中【Solution】>【Solution Controls】，在Relaxation Factor中將Pressure項改為1

3.14.3.  繼續計算，保持【Solution】>【Run Calculation】中Number of Time Steps為4000，點擊Calculate計算。本次計算將至物理時間的0.04s后

3.14.4.  保存case&data為cylinder2d_t0.04.cas.gz和cylinder2_t0.04.dat.gz。

3.14.5.  設置噪聲模型常數

樹中【Setup】>【Models】>【Acoustics】，雙擊Acoustics，保持Far-Field Density為1.225 kg/m3，保持Far-Field Sound Speed為340 m/s，保持Reference Acoustic Pressure為2e-5 Pa，設置Source Correlation Length為0.095 m。點擊OK確認設置。

3.14.6.  計算噪聲信號

樹中【Solution】>【Run Calculations】>Acoustic Signals…，在彈出的對話框中選擇Receivers…，在彈出Acoustic Receivers窗口中，設置Number of Receivers為2，在Acoustic Signals窗口中選中Active Source Zones、Receivers和Source Data Files中所有的項，點擊Compute/Write。

3.14.7.  氣動噪聲后處理

3.14.7.1.  顯示聲壓信號

樹中【Results】>【Plots】>【File】，雙擊File。在彈出的窗口中選擇Load…導入receiver-1.ard和receiver-2.ard，點擊Plot顯示聲壓值。

點擊Fourier Transform窗口中的Axes…，在彈出的窗口中去選Auto Range，在Range選項欄中設置Minimum值為0，Maximum為5000，點擊Apply，關閉窗口回到Fourier Transform窗口點擊Plot FFT。顯示0~5kHz的聲壓分布。輸出的結果中可以看到，譜峰值出現在約900Hz處。

 

回到Fourier Transform窗口，點擊Plot/Modify Input Signal…，在彈出的截面勾選Options下的Clip to Range選項，X Axis Range中設置Min為0.02，Max為0.04，點擊Apply/Plot。

 

可以看出譜峰值約在Strouhal數為0.25附近。

文章來源：SCI仿真工作室