渦脫落
關注創建者：Oler 創建時間：2019-07-04
渦脫落的實例教程
二維網格中圓柱渦脫落的部分需要加密，網格如下圖所示：
2、STAR-CCM+設置
本案例的使用的流體是空氣，而且是不可壓縮和層流式流體。渦流脫落是周期現象，它需要使用瞬態求解器。
（1）選擇本案例相應的物理模型；
（2）修改空氣屬性，在Models> Gas > Air > Material Properties > Density > Constant節點，把值為1。將節點DynamicViscosity > Constant的值改為2.0E-5Pa-s，在Fluid> Initial Conditions > Velocity節點把速度改為[0.15,0.0] m/s。
（3）Regions >Fluid_Domain > Boundaries > Inlet節點，把進口速度節點改為分量，將其值改為[0.15, 0.0] m/s。
3、計算8秒以后的圓柱后面的渦如圖所示。
計算域渦分布
圓柱的升力系數
本文轉自有限猿仿真博客，感謝原作者。如有侵權請立即聯系刪除。
展開 當高速氣流流過天窗開口的前緣時，由于粘性和剪切，會在開口附近形成脫落渦->>脫落渦向下游發展的時候會和天窗開口的尾緣相互作用，產生聲激勵向乘員艙內輻射->>乘員艙在激勵作用下會產生聲壓響應；當此壓力響應的頻率和天窗前緣渦脫落的頻率一致的時候，會進一步激發渦脫落->>這樣前緣渦脫落和乘員艙的聲響應就形成了一個鎖定的自激振蕩，也就是我們常說的亥姆霍茲共振，即為天窗風振。當然前、后側窗單獨打開時也可能會引起風振。只是由于A柱渦流和后視鏡尾流的作用，前側窗的來流更加混亂，不易產生規則且高能的脫落渦，風振現象較弱；而后側窗的來流相對于前側窗更加光順，所以更容易出現風振現象。
上圖給出了某主機廠使用PowerFLOW進行天窗風振分析的結果。由于風振是典型的低頻共振問題，對來流工況非常敏感，因此為了準確評估風振現象，我們需要計算不同車速下的聲壓級峰值；然后以風速為橫坐標，峰值聲壓級為縱坐標，建立一條速度掃掠曲線來描述風振的開始、峰值以及衰退的過程。上圖的結果顯示，天窗導流板顯著改善了天窗風振，且實驗和仿真的結果在整個速度掃掠區間內都吻合的非常好。
小結
通過上述的介紹，大家可以看到，影響整車風噪性能的因素有很多，而聲壓級是對數疊加，最大的噪聲源往往占據主導作用。一旦某個噪聲源的聲壓級比其它噪聲源大很多時，即便把某些次要的噪聲源完全消除，總的噪聲水平依然沒有太大的變化。所以評估整車風噪性能的時候需要更加全面和準確的考慮多個因素。三板斧雖好，不能包治百病哦。
其實每一個應用都有其獨特和有趣的地方，后面咱們掰開來慢慢給大家聊吧。
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展開 特別是當渦脫落頻率與物體的某階固有頻率相同且兩者的空間波數吻合時激發物體的共振，即唱音。通常情況下，槳葉是三維翼型，不同半徑處厚度不一樣，渦脫落頻率也不一樣，而且由于葉片間的葉柵效應會破壞脫出渦的周期性，因此，它更接近于寬帶噪聲。
邊緣噪聲：由于槳葉后緣的半平面屏蔽效應造成輻射源從偶極子源降級至單級子源，而輻射增大。該噪聲有明顯的指向性特征，垂直于流向。該噪聲頻率也由渦脫落頻率確定，屬于高頻范圍。
唱音：槳后緣的渦脫落形成周期力，當頻率與彈性振動某個固有頻率一致時，會發生諧頻放大，并使得渦脫落增強。當速度變化不大時，還會發生鎖頻自激振動。甚至有時唱音還會不同頻段發生，例如某螺旋槳300-400Hz、550-600Hz和650-700Hz。弱唱音產生的機理是來源于后緣產生的渦旋，這些渦旋引起的結構振動僅僅增強了渦旋強調和調節渦脫落頻率，也就是前面提到的渦旋噪聲和邊緣噪聲，其表征的是聲輻射能量不僅集中在葉片固有振動頻率上，而且還存在于附件區域，它隨著流速變化比較平緩。
運動激勵噪聲：由潛艇的軸系振動和艉部振動傳播至葉片而引起的聲輻射。頻率特征主要體現低頻窄帶（如艇體模態），也有中高頻窄帶（如軸系縱振）。
空化噪聲：
物體與水的相對運動引起局部壓力下降導致空化。螺旋槳空炮又分成稍渦空化、葉表面空炮和轂渦空泡。潛艇到達臨界轉速，空化噪聲強度急劇上升，其強度正比于空泡體積，空泡尺度逐漸從微米級增加到毫米，強度增大的同時，能量峰值逐步向低頻移動。在實際工程中，空泡通常會收到非均勻來流的影響，因此出現軸頻調制。
三、Simcenter Acoustics 仿真工具介紹
·Simcenter 3D繼承了Virtual lab高級聲學模塊，幾乎涵蓋了所有的成熟聲學仿真方法，針對大尺度模型、全頻段、多種聲源類型問題均具有詳細解決方案。
展開 實際上，它是兩種效應的結合：阻力危機和渦脫落。
阻力危機我們提到過：《風阻系數的水很深》，你可以理解為當球速增大后，表面發生流動分離。后方低壓區變大，阻力也變大，球下墜更快。
對于足球來說，只要出球速度超過20m/s，就有可能發生阻力危機。
伴隨流動分離的，還有渦脫落。下圖就是用AICFD模擬的結果，這種周期脫落的渦也會讓足球的運動軌跡產生搖擺。
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展開 Ｂ風扇葉尖渦在離開葉圈時，受到了風扇外側回流的影響，使得葉尖窩在緊貼護風圈的下游位置得到了進一步的加強，之后才逐漸耗散。而A風扇受護風圈外部鋸齒形結構的影響，回流能量大大降低，因此葉尖渦在離開隨動護風圈區域之后渦流沒有被加強。
4. 結論
本文應用數值計算方法，分別計算了大直徑仿生葉片風扇和小直徑普通葉片風扇的氣動噪聲值，并深入研究了仿生葉片風扇的降噪機理。所得研究結論如下：
（1）以鳥類翅膀的宏觀非光滑結構為基礎，通過對風扇葉片形狀和護風圈形狀的調整，可以實現在風扇直徑增大的同時降低風扇氣動噪聲；
（2）通過調整風扇葉片形狀，可以減小風扇葉片前緣的氣流分離和尾渦脫落，這些改進有利于降低風扇氣動噪聲值，在具體的改進過程之中應主要關注葉片頂端位置 ；
（3）通過在風扇護風圈上設置鋸齒形結構，可以有效的降低葉圈與護風圈之間的回流能量，從而減小風扇的葉尖渦。
（文章來源于網絡）
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此類噪聲源于復雜的流動現象，尤其是湍流及其相互作用（渦脫落、撞擊等）。準確預測該噪聲涉及復雜的技術路徑：需利用CFD計算得到的非穩態流場數據（速度、壓力脈動），作為聲學仿真的激勵源。通過求解聲波方程（如線性歐拉方程）或采用聲類比方法（如FW-H方程），模擬由湍流邊界層分離、旋渦脫落、氣流沖擊等引起的噪聲產生與傳播過程。
具體的網格劃分如下圖所示：
3 FLUENT 流場設置
3.1 General設置與網格導入
由于本文要進行聲學計算，因此需要通過瞬態計算，對渦脫落的進行捕捉，因此采用瞬態計算，相關設置如下圖所示。
此現象也能通過天洑智能熱流體仿真軟件AICFD模擬：
空中那迎風飄揚的旗幟，用卡門渦街解釋：空氣流過旗桿及旗幟前緣，在后面產生交錯排列的脫落渦，柔軟的紅旗在這些渦中翩翩起舞。
卡門渦街可能有害，它會產生振動，蓋大樓建大橋修煙囪都要考慮這些振動，防止發生共振。
它也可能有用，你可利用這個振動做一個渦街流量計。通過檢測振動頻率，反推得到流動速度。
此類噪聲源于復雜的流動現象，尤其是湍流及其相互作用（渦脫落、撞擊等）。準確預測該噪聲涉及復雜的技術路徑：需利用CFD計算得到的非穩態流場數據（速度、壓力脈動），作為聲學仿真的激勵源。
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實際上，它是兩種效應的結合：阻力危機和渦脫落。
阻力危機我們提到過：《風阻系數的水很深》，你可以理解為當球速增大后，表面發生流動分離。后方低壓區變大，阻力也變大，球下墜更快。
對于足球來說，只要出球速度超過20m/s，就有可能發生阻力危機。
伴隨流動分離的，還有渦脫落。下圖就是用AICFD模擬的結果，這種周期脫落的渦也會讓足球的運動軌跡產生搖擺。
由圖 5（a、d）可以看出：當圓柱振動頻率偏離自然渦脫落頻率較遠時，圓柱后方尾渦將不再對稱，振動頻率越高，脫落的渦尺寸越大。
圖 5 圓柱振動到最下端時尾部渦量圖（Re = 100、A/D= 0.25）
圖 6 為穩定后，不同振動頻率下圓柱升力和阻力系數的隨時間演化曲線及升力系數的能量譜結果。
再者，當進速增大時，需要捕捉導管渦脫落等流動現象以精確評估導管的水動力特性，這相當于對大攻角水翼的仿真，而本文所用RANS方法難以勝任。
但是，導管螺旋槳一般被設計用于重載工況（低進速系數），在重載工況下，推力較大、效率較高。在高進速系數下，導管的流動分離嚴重、效率較低、推力由正轉負（形成阻力）。因此相對來說，對重載工況的模擬是導管螺旋槳水動力性能研究的焦點，也是本文的焦點。
FSI真實案例：大橋與風場組成了耦合系統，大風產生了一定頻率的卡門渦脫落，這個頻率與耦合系統中的結構固有頻率相近，使系統發生了共振，大橋劇烈晃動直至崩塌。
并不是這樣的，很多過程并不能穩定下來，比如卡門渦街，渦的脫落隨著時間呈周期性變化。再比如水的蒸發，隨著時間的推移，水的量一直在減少，因此這樣的過程就不是穩態的，計算時只能用瞬態計算。即便是穩態，其前期也一定存在瞬態這樣一個過程。因此黑格爾說存在就是合理的，存在就是應當消亡的。萬物都是脆弱易逝的。
圖2為舵葉翼型結構引發流激噪聲的水動力源示意[3]，產生舵葉流激噪聲的流體脈動源主要包含6類[4-6]：1） 非均勻來流包含的渦量；2） 來流與舵葉之間的攻角在導邊形成逆壓梯度，引發的導邊流動分離；3） 舵葉表面邊界層內的渦量形成的流體脈動；4） 隨邊區域內逆壓和黏性作用導致邊界層分離，引發的渦脫落；5） 隨邊脫落的渦在尾部形成的尾流渦街；6） 吸力面與壓力面壓差使來流在側面形成向低壓面翻卷的翼端效應
