流致噪聲
關注創建者：C乘風破浪 創建時間：2022-08-09
流致噪聲的視頻教程
基于有限元方法的整車風噪聲仿真分析介紹
本節課適用人群： 汽車空氣動力學開發工程師、NVH性能開發工程師；車輛工程等相關專業的高校師生； 其它行業關注氣動/流致噪聲仿真分析的相關工程師。 課程內容： 整車風噪聲產生機理； 基于聲類比方法的整車風噪聲仿真分析； 基于波數分解方法的整車風噪聲仿真分析； 整車風噪聲快速分析方法； 典型案例分享。
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流致噪聲的實例教程
1 旋轉機械流致噪聲問題
1.1 背景介紹
旋轉機械如泵、風機、風扇、螺旋槳、渦輪機械等廣泛應用于國民生產各部門，隨著產業競爭的加劇，人們對環保意識的提高，噪聲也成為產品核心競爭力的指標之一，如何降低噪聲也是各大風機廠等制造企業面臨的最具挑戰性的問題之一。
旋轉機械流致噪聲主要包括兩大類噪聲源：湍流噪聲和流致振動噪聲。湍流噪聲主要由其內部非穩定流動所引起的，從湍流噪聲產生的機理看，主要分旋轉噪聲（離散噪聲）和渦流噪聲（寬頻噪聲）兩大類；而流致振動噪聲則是由于流體流動產生的湍流脈動和聲脈動壓力作用在結構上，會引起結構的振動，如果激勵源頻率接近系統的某階固有頻率，將會引發共振而劇烈振動，從而輻射較強的噪聲。這兩類噪聲在旋轉機械中較為普遍，尤其針對具有管道系統的旋轉機械中，流致振動噪聲往往較為關注也比較突出。
1.2 理論介紹
目前，數值計算方法被越來越多的單位應用于旋轉機械噪聲評估與優化，可以對其噪聲產生機理和源特性進行詳細分析，同時方便分析諸多參數對噪聲性能的影響，為工程師設計低噪聲的產品提供數據支撐和理論指導。
旋轉機械的計算聲學就是利用現代CFD技術和噪聲模擬技術計算噪聲性能。在旋轉機械的設計階段就可以了解它們的設計與噪聲性能，減少試驗成本，縮短設計周期。因此，現代CFD與聲學數值計算技術已經成為廣泛采用的噪聲設計與優化技術。旋轉機械流致噪聲產生的最主要根源是流場產生的脈動引起的，因此準確模擬旋轉機械噪聲的前提是首先獲得準確的流場信息，然后采用合適的聲類比理論提取其流動聲源。
使用專業旋轉機械CFD模擬工具對各類型旋轉機械進行模擬，可以快速地獲得旋轉機械在工作狀態的流場信息。隨后利用聲學軟進行流動噪聲分析，建立的聲學模型結構表面為剛性壁面，湍流為聲源區，計算聲學域為湍流區以及外部的流場區域。在計算域外設置無限元包絡。
展開 利用Exa公司的新技術，預測汽車零部件和系統中的流致噪聲是可能的。由Exa公司開發的一項革命性的新技術，可以在模擬中清楚地識別出空氣聲學噪聲源。
這個正在申請專利的功能叫做FIND（流致噪聲檢測）是在Exa power聲學軟件中實現的。Exa的聲學應用高級主管Franck Perot說:“以前的方法從如何從流動結果中提取實際信息，以減少噪音，這需要大量的培訓。Exa的工程師已經實現了先進的算法，可以量化流中的每一個單獨的渦流。”
FIND功能還可以分析設計的流體流動，并突出顯示每個區域的不同噪音水平。這使得工程師能夠識別出輻射噪聲的主要來源。在設計修改之前和之后也可以聽到產生的噪音，這樣可以聽到改進之后的效果。Perot說：“為了驗證這個技術，我們測試了大量的測試用例和生產案例，這些測試用例的噪音水平是通過測量得到的，并運行了PowerFlow以獲得參考模擬結果。
在這一點上，我們知道FIND所預測的噪聲源是正確的。我們下一步要做的是查看不同的修改，以檢查工具是否確實能夠指導設計。當我們檢查FIND的輸出功率時，我們在分貝差異方面得到了正確的趨勢，這讓我們有信心去描述不同的設計。”FIND對于預測諸如溫室或底盤風噪聲、HVAC和風機噪聲或來自排氣系統的噪聲的噪聲源特別有用。在與Exa的密切合作下，寶馬集團已經使用新工具對完整的HVAC系統進行了空氣聲學評估。寶馬此前曾發現，通過諸如管道或鼓風機等獨立部件的流動分析，對整個系統的聲學性能給出了不完全的信息。更糟糕的是，人們發現，僅僅根據它產生的聲音來決定改進哪個子系統是錯誤的。
通過使用PowerFlow的瞬態模擬作為分析完整的HVAC系統的基礎，寶馬工程師不僅能夠看到聲音是如何產生的，也能看到聲音是如何通過系統傳播到乘客的耳朵的。
展開 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。
展開 風扇在運轉中，旋轉的葉片與周圍的流場以及靜止部件（蝸殼、格柵等）都存在相對運動，其流場表現出明顯的非定常特性。這種非定常特性不但影響風扇的氣動性能，也會產生明顯的氣動/流致噪聲。
隨著近些年來國內經濟的飛速發展，人們對居住、辦公、駕乘等環境的舒適度要求越來越高。風扇的氣動/流致噪聲，在家用空調的內外掛機、空氣凈化器、吸塵器、吸油煙機、汽車空調等的噪聲中均占據了主要的組成部分。
各相關企業的研發人員，對于研究、預測、降低風扇的氣動/流致噪聲可謂傷透了腦筋。某國外家電大牌的吸塵器等產品動輒大幾千元，其主打的產品特點就是“靜音”。
對于風扇氣動/流致噪聲的預測，或者說在工業領域應用氣動/流致噪聲的仿真分析，一直都存在痛點/難點。
行業痛點
在傳統的基于NS方程的有限元或有限體積法的CFD軟件中，由于數值格式精度上的限制，對于在流場中同時精確求解聲學物理量是非常困難的。
而采用不可壓縮CFD+有限元聲學軟件的混合CAA方法，又面臨著計算量龐大，并行效率低，學習成本高的問題。
展開 1.管路產生噪聲的原因主要是以下兩種：
（1）流速高。高速氣流的流動必然沖刷管道，激發管壁產生振動，振動噪聲經管壁向周圍輻射，引發噪聲環境污染。
（2）彎頭、變徑部位因渦流、渦阻作用，氣體紊流現象嚴重，使管道、變徑部位、調壓閥劇烈振動而引發噪聲。
管道流動噪聲模擬能夠預測流體在管道中隨著流速變化所產生的流致噪聲；模擬結果中的管道壁面壓力脈動能夠作為管道振動計算的輸入激勵，計算管道振動輻射噪聲。
ACTRAN在處理流致噪聲問題時，CFD計算與聲學計算是解耦的，即首先進行CFD仿真，提取出湍流信息，然后再利用Lighthill或M?hring聲類比方法分析聲場。對于聲學分析中，只要滿足每波長6網格的規則即可。ACTRAN軟件可以直接讀取CFD的原始文件，使用積分法將流場信息加載到聲學網格上，因此不需要對聲源區的網格做特別的優化。
2.管道流致噪聲分析計算步驟如下所示：
（1）
建立CFD分析模型，利用URANS、LES或DES方法進行非定常流場計算；
（2）
利用ACTRAN/iCFD命令，將CFD基本量轉換為噪聲源Lighthill應力張量；
（3）
建立ACTRAN聲學分析模型，將聲源用積分法插值入聲學網格；
（4）
執行傅里葉轉換，將時域信號轉換為頻域；
（5）
計算噪聲的傳播，導出預設場點的聲場云圖和聲壓頻響函數；
（6）
ACTRAN/VI查看結果。
-海基科技
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2.流體仿真建模工具
HyperMesh CFD 和結構有限元建模工具 HyperMesh 是基于相同的平臺開發，并集成了虛擬風洞模塊VWT，主要用于空氣動力學、氣動噪聲的建模，并集成了 CFD post 工具，以及流致噪聲信號處理
更進一步，還可以結合CAA（計算氣動聲學）分析風噪聲性能與流致噪聲聲源的發生與聲傳播細節；同樣結合熱分析、車輛動力學分析為風阻、風噪、熱管理、操穩、NVH等性能進行同步優化。
2.2 基于Simdroid的Cyber-truck空氣動力學特性分析
從Cyber-truck的實車圖來看，整個前風擋從車頭到車頂是一個角度的傾角，這是該車型降低車輛風阻系數的一個外部造型設計特征。
1 旋轉機械流致噪聲問題
1.1 背景介紹
旋轉機械如泵、風機、風扇、螺旋槳、渦輪機械等廣泛應用于國民生產各部門，隨著產業競爭的加劇，人們對環保意識的提高，噪聲也成為產品核心競爭力的指標之一，如何降低噪聲也是各大風機廠等制造企業面臨的最具挑戰性的問題之一。
旋轉機械流致噪聲主要包括兩大類噪聲源：湍流噪聲和流致振動噪聲。
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。
上述兩部分不同來源的噪聲我們統稱為流致噪聲。這里的艦船流體繞流噪聲分析指的是非定常湍流引起的直發聲。
在進行流體力引起的聲學仿真時，首先需要對聲源的產生機理和聲源特性要有一定的理解。
下面介紹一下基于ANSYS Workbench平臺的電機電磁噪聲仿真分析：
電動機與發電機等電力設備的噪聲起因很多，有電磁振動噪聲、機械噪聲及流致噪聲等等，本文通過ANSYS公司的官方案例為操作背景，詳細介紹如何將作用在定子上的瞬態電磁力作為結構諧響應分析的載荷計算振動噪聲。
電動機與發電機等電力設備的噪聲起因很多，有電磁振動噪聲、機械噪聲及流致噪聲等等，本文通過ANSYS公司的官方案例為操作背景，詳細介紹如何將作用在定子上的瞬態電磁力作為結構諧響應分析的載荷計算振動噪聲。
離心式制冷壓縮機振動噪聲可以分為機械性振動噪聲和流致性振動噪聲。
轉子區域為大變形區域，需要建立高質量的結構網格；
2、需要考慮陰陽轉子之間極微小的嚙合間隙；
3、需要設置轉子部分的動網格，描述由于轉子流體域大變形所引起的流場變化；
4、對于雙螺桿壓縮機，需要同時對流場的動力學和熱力學特性（泄露、傳熱，排氣孔口流動）的過程進行研究；
5、對于雙螺桿泵則需要考慮流場內部的空化效應；
6、需要考慮由于流場擾動引起的流致振動及噪聲
另一方面空壓機工作過程中，氣體壓力升高，壓力就偏離了原來的位置，誘發壓力波動（壓差），通過機殼和管道等部件向外傳遞振動，輻射噪聲，產生流致性振動噪聲。因此，根據振動噪聲的產生機理，空壓機可以劃分為機械性振動噪聲和流致性振動噪聲，主要來源于轉子等運動部件和氣流脈動的誘發激勵。
