ansys氣動噪聲仿真的案例
干貨 | ANSYS Fluent氣動噪聲仿真模型解析
氣動噪聲是由于氣流流過固體表面引起的氣流壓力擾動產生，它起因于氣體內部的脈動質量源（單極子噪聲源）、作用力的空間梯度（偶極子噪聲源）和應力張量的變化（四極子噪聲源）。氣動噪聲問題在各種高速機械中均有產生，比如高鐵、飛機、汽車以及旋轉機械等領域（見圖1）。
圖1 氣動噪聲的應用領域
ANSYS Fluent提供了三種解決氣動噪聲的方法，分別是直接計算法（CAA）、聲比擬法（FW-H方程）、寬頻法（Boardband Model）（見圖2）。由于聲波方程可認為是三維可壓縮N-S湍流方程的變形形式，所以求解N-S方程可以描述聲波產生和傳播現象。
但流動和聲學變量尺度跨度很大，所以CAA方法對于精度要求和硬件要求都很高，在實際工程問題中不可行。而更多采用的是將波動方程和流動方程解耦的聲比擬法和寬頻方法。具體理論方程可參考ANSY。
圖2 ANSYS Fluent中氣動聲學模型
以軸流風機為例，對其氣動噪聲進行仿真。首先進行穩態流場計算，可采用多參考系（MRF），為后面的瞬態計算提供初始流場；其次，可采用滑移網格進行瞬態計算，控制時間步長，且至少得到多個周期的變化方可結束；然后，開啟聲比擬模型，設置sources及receivers，進行聲場仿真，并輸出相關參數變化曲線；最后，通過傅里葉變換（FFT）得到聲壓級頻譜曲線（見圖3）。
展開 基于Ansys的汽車氣動噪聲數值仿真分析實例
隨著車輛性能的提高及高等級公路的建設，車輛的速度越來越快，車輛外流場的氣動噪聲以車速的6次方的數量增長。因而，當車輛的其它噪聲得到有效的控制后，車輛的氣動噪聲就變得尤為重要了。70年代研究人員發現，車速為 70km/h的情況下，氣動噪聲的范圍為62~78dB；而在速度為110km/h的情況下，氣動噪聲的范圍達到80~90dB。新的研究表明，車速超過100km/h，氣動噪聲對車外噪聲的影響己超過了其它噪聲。
數值模擬方法可在新車設計初期的造型階段進行氣動噪聲的預測，為選型及造型參數修改提供依據，從而可以較早地得到較理想的產品，避免產品缺陷。
湍流模型的選擇
氣動噪聲模擬可以選擇幾種不同的數值方法，大渦模擬可以得到精確的模擬效果，但要求生成的網格質量好，計算比較耗時。在產品設計的初始階段，往往需要噪聲的大致分布情況，基于模型的噪聲源方法可以解決這一問題。
模型的湍流動能輸運方程：
湍流動能耗散率輸運方程：
式中：
Gk為平均速度梯度產生的湍流動能
Gb為浮力產生的湍流動能
β為熱膨脹系數
μt 為湍流粘度
σk，σt為k，ε的湍流普朗特常數。
根據經驗，模擬中使用的常數分別取值為：Cμ=0.09，σk=1.0，σε=1.3，C1ε=1.44，C2ε=1.92，C3ε=1。
基于公司現在對氣動噪聲的要求，選擇模型是比較適宜的。
模型網格的劃分和計算域的建立
模型是在CATIA軟件上建立的，然后導入ICEMCFD軟件中進行網格劃分。為了提高計算的效率，對模型的底部進行了簡化處理。
根據經驗，流場仿真計算所取的計算域到達一定的大小時，汽車的流場就不再受計算域大小的限制。
展開 Ansys CFD在eVTOL領域的解決方案，涉及飛行車外氣動、旋翼、氣動噪聲和電池熱管理等【6月19直播】
eVTOL在研發過程中有諸多難點和重點，Ansys CFD 在 eVTOL（電動垂直起降飛行器）領域提供了覆蓋氣動優化、多物理場耦合、熱管理、噪音控制等全流程的仿真解決方案，助力工程師應對復雜設計挑戰。
ZEVA ZERO曾利用 Ansys CFD 優化氣動布局，使其在垂直起降時的噪音低于街道環境，同時滿足 GoFly 競賽中 40 海里續航和 100 mph 速度要求；Volvo EX90 電動車通過 GPU 加速 CFD 模擬，將空氣動力學優化周期縮短，助力提升電動車續航里程。
6月19日，以『Ansys CFD在eVTOL領域的解決方案』為主題的Ansys官方研討會于線上開展，下滑預約??
時間：6月19日（星期四），16：00-17：00
內容簡介：主要介紹Ansys CFD產品在電動垂直起降飛行器(eVTOL)產品研發過程中的解決方案；解決方案涵蓋飛行車外氣動、旋翼、氣動噪聲和電池熱管理等方面的仿真解決方法和相關案例。
講師：
姚翔 | Ansys高級應用工程師
北京航空航天大學能源學院葉輪機械工學碩士。長期從事旋轉機械相關的設計、仿真工作，現任Ansys旋轉機械方向應用工程師，對Ansys旋轉機械產品體系有著豐富經驗。
形式：線上
費用：免費
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技術鄰簡介：
技術鄰專注于工科技術社區，從最早的CAE技術社區（中國CAE聯盟）發展而來，在CAE領域有20年的教學和咨詢服務經驗。
展開 軸流通風機葉片模態仿真及其對氣動噪聲的影響
從對噪聲的影 響來看認為前六階振型影響較大，因為由于它的擺對流場有較大影響，造成了葉片 進氣攻角的變化，從而形成葉片表面升力的波動，最嚴重的情況會產生馳振，產生 很大氣動噪聲和效率較大的降低。
6. 結論
通過有限元對葉輪模態進行了模態分析，考慮了旋轉軟化、應力強化對葉輪 真實運行狀況下模態頻率的影響，發現與靜止狀態差別不大，同時分析結果與試驗 吻合較好。通過振型分析，認為較低頻率的前六階振動對氣動噪聲影響較大，為設
計低噪聲風機提供了借鑒。
下一步將計算葉輪流場，得到葉片流場受力并對葉輪作諧波分析，通過氣動聲 學公式預測噪聲的大小，以期望獲得葉輪振動對氣動噪聲的具體量值。
文章來源：正脈科工CAE
展開 
基于FLUENT的氣動噪聲仿真的理論基礎及實例
通常普通人的感受到的震動（Vibration）頻率在20Hz以下，而噪聲（Noise）頻率在80Hz以上，20到80Hz之間的部分可以理解為身體和耳朵的雙重作用，稱之為聲音粗糙度(Harshness)，在這個頻率區間中，即能感覺到有東西似乎懟著屁股突突突突突，又會聽見耳邊若有若無的啊啊啊啊啊。但是震動和噪聲的感受卻非常難以量化和客觀化，感受并不是實際可測得的如聲壓、聲強、聲壓級等如物理量。NVH最難以量化的就是感受這部分內容了。
Fluent仿真計算氣動噪聲（CAA）的原理是基于FW-H方程，這組方程就是氣動聲學研究的主要路線。網上有很多介紹，就不再贅述了。Fluent計算氣動噪聲的流程就是在通過準確的CFD流場計算得到流場壓力變化時程，這是CAA計算的基礎。一般來說，聲源的計算需要采用高級的湍流模型，如LES、DES，進行非穩態計算來實現。當然，URANS模型也可，不過計算出來的結果往往只有主要特征的影響，得不到細節方面的東西。
下面三個官方培訓算例，準確全面地介紹了CAA仿真。
圓柱繞流氣動噪聲FLUENT仿真
圓柱繞流噪聲原理就是把圓柱表面劃分成一個個的微元，每個微元當做一個偶極子聲源，聲源的強度就是脈動壓力大小，然后對每一偶極子求解波動方程，得到其在聲接受點處的輻射聲壓，再把每個偶極子所產生的聲壓相加，就得到了總聲壓。FLUENT的聲學模塊就是通過利用CFD的計算結果，對FW-H方程求積分解，得到圓柱繞流噪聲。
展開 圓柱繞流氣動噪聲FLUENT仿真 ￥499
氣動聲學計算軟件基本上都用的是FW-H方程，完整的氣動噪聲計算應該包括以下三個部分：聲源計算、聲傳播計算和聲輻射計算。本算例以圓柱繞流為模型，仿真計算湍流導致的氣動噪聲聲源。
付費內容包含具體設置過程，詳細的仿真原理及步驟，請參考個人簡介中的聯系方式。
模型幾何尺寸
模型網格
氣動噪聲仿真結果
某型空調軸流風扇的氣動噪聲仿真分析
3.3 真實聲場模型（內外耦合）的計算結果
最后，利用稀疏化的網格模型建立了真實的軸流風扇內外聲場耦合模型，進行完整的軸流風扇噪聲輻射模擬分析。下面列出的是SYSNOISE進行內外部聲場分布計算的結果（左列—內聲場；右列—外聲場)
圖5 真實內外聲場耦合模型的計算結果
4、結論與建議
從計算結果看到，氣動噪聲的聲源主要來自風扇迎風面的中上部、以及對應的管路壁面部位。內部聲場的氣動噪聲主要分布在出風側，幅值較高。而外部聲場的氣動噪聲主要分布在風扇平面內，而不在風扇的流場方向上。本結論與航空領域的螺旋槳平面噪聲現象比較一致。
根據上面的分析對比過程，SYSNOISE可以非常方便地解決這類流體聲學分析問題，高效準確地得到氣動聲學的內外聲場分布。關鍵的是，SYSYNOISE的流體聲學功能可以直接與其久經考驗并得到公認的振動聲學分析模塊無縫集成和耦合起來，解決更加復雜的流體聲學問題：包括聲學有限元/無限元及其耦合；直接/間接聲學邊界元及其耦合；流體與結構的聲振耦合；吸聲材料模型；快速ATV及其優化技術；以及貢獻量分析和大規模問題的并行計算技術等等。
本文來源：http://www.51gcs.com/info/17569
展開 設計仿真 | 新型風扇氣動噪聲組合分析方法
本例基于Actran2021.1，采用Lighthill面源方法，將聲源映射到聲學網格上，并完成時域氣動聲源轉成頻域的計算。這項研究的新穎之處在于這一步，其中采用兩個互補的離散傅里葉變換（DFT）設置來精確計算線譜音調和寬頻噪聲，同時避免了由于采樣時間有限而在高頻下出現不切實際的聲壓級波動：
① 對于葉片通過頻率(BPF)及其諧波引起的線譜音調噪聲，使用最小二乘法在整個采樣時間內定義并完成第一個DFT。該方法強制提取用戶設置的頻率。在本研究中，設置為從BPF開始并提取BPF高達1000Hz的每個諧波；
② 對于寬頻帶噪聲，時域數據樣本分解為多個較小的樣本（多重離散傅里葉變換），這些樣本彼此重疊50%，并對每個樣本應用Hanning窗以平滑每個子樣本之間的過渡。在本研究中，原始時域數據被分為78個重疊樣本，每個樣本的持續時間為0.02秒，正好對應50個CFD時間步長。子采樣持續時間為0.02s，最小頻率和頻率步長固定為50Hz。選擇這些參數是為了獲得不包含BPF或其諧波的頻率列表，因此僅提取寬頻帶噪聲的結果。此方法的缺點是沒有對CFD的全部結果進行利用。
通過上面的兩個步驟，便獲得了兩組氣動噪聲：
①一個DFT得到BPF及其諧波的噪聲。
②多重DFT方法得到的寬頻帶噪聲。使用兩組互補的結果，并使用腳本進行合并，就可以獲得組合氣動聲學仿真的總體頻率響應，如圖2所示。
展開 風扇氣動噪聲仿真分享
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。
那么如何解決這個問題呢？
展開 Helmholtz共振腔氣動噪聲FLUENT仿真 ￥499
用 FLUENT 仿真 Helmholtz 共振腔旁接管道系統模型。
針對流場仿真，采用六面體網格建模，分析選擇合適的網格密度，明確網格及邊界條件的影響，以獲得準確的聲源信息。
運用 Lighthill 聲類比方法對聲場進行仿真，并提取管道內部場點聲壓級頻譜曲線，分析曲線峰值頻率特征。
使用Fluent進行倒相管的氣動噪聲仿真
使用Fluent進行倒相管的氣動噪聲仿真
氣動噪聲的精確模擬不是一件很容易的事情。汽車行業/飛機行業用得可能會相對較多。
氣動噪聲仿真軟件可以采用Fluent，Virtual Lab（之前叫Sysnoise），ACTRAN等等。 擾動的氣流速度可以用等效電路或其他音箱設計軟件來近似得到。
以Fluent為例說明氣動噪聲模擬的大致思路。首先計算流體的流動，然后在此基礎上計算聲壓。 聲壓是氣壓受到擾動后產生的變化，即氣壓的余壓，相當于在氣壓上的疊加一個擾動引起的壓強變化。 一般情況下不考慮聲壓對流體的反作用。
不同流體計算模型對應著不同氣動噪聲模型。Fluent中常用的寬頻噪聲模型，以及FWH模型，適用于不同的流體模型。 當然下面只是一個粗略的計算，可以算定性半定量的參考。
寬頻噪聲模型
FWH模型
簡單的管噪的頻帶是非常寬且比較均勻的。采用穩態的湍流寬頻噪聲模型簡化計算量是可以接受的。
KEF做的關于倒相管湍流CFD仿真：
JBL發表的倒相管湍流的發展示意圖：
附一個動車的氣動噪聲分布圖
歡迎關注公眾號：揚聲器系統設計與仿真
展開 
直播預告 | 電聲系統的聲場及電子行業相關氣動噪聲仿真方案
wx_fmt=png&from=appmsg"></p><p class="ql-align-justify">海克斯康工業軟件Actran深耕振動聲學、氣動聲學仿真計算20余年，積累了大量的汽車NVH、電子產品聲學仿真的經驗，在新的形勢下一定能夠為電聲產品的設計帶來新的方案和思路。3D的振動聲學建模仿真可以從輸入端給定電壓開始，研究在整個系統中的振動和聲學響應，無論是聲腔共振亦或振動的直接輻射，各種路徑都可以進行分解。在出現共振或者聲學響應不滿足預期時，可以從主要路徑上進行控制。風噪聲也是電子行業的一大痛點，在設計階段驗證風噪并解決風噪而不過分的依賴風洞試驗，只能通過仿真的手段。準確、快速的預測風噪，并在設計階段研究各種對策（包括幾何形狀優化、通道形狀優化、添加吸聲材料）的影響十分必要。</p><p><br></p><p class="ql-align-justify">本期海克斯康直播講堂請到了聲學仿真專家白玉儒，白玉儒老師將為我們帶來電聲系統的聲場及電子行業相關氣動噪聲仿真方案，詳細講解通過仿真方式進行電聲產品的建模和集成環境下的振動和聲場分析，也會涉及電子產品中的氣動噪聲問題例如耳機風噪、電子散熱風扇的內容，為進一步提升喇叭的輻射效率、降低產品共振風險、預測和優化產品的聲場提供數據化、可視化的依據。更多精彩盡在海克斯康直播講堂，敬請關注！
展開 CFD專欄丨基于LBM算法的風扇氣動噪聲仿真實例
風扇的氣動噪聲
在工業設備行業，最大噪音值受法規限制。在很多使用風扇冷卻的設備上，風扇噪聲通常是這些設備工作噪聲的最大貢獻量。而在家電民用行業，例如空調、空氣凈化器、油煙機等，其噪音大小直接關系到用戶的體驗感受，而這些設備中風扇噪聲都有很大的貢獻量。
噪音測試目前是一種比較成熟、且高效的獲取風扇噪聲的方法。但是通過噪聲測試我們能獲取的只有當前設備的噪聲水平、以及頻譜中的階次特征，它并不能告訴我們噪聲產生的機理，以及優化噪聲的方向。同時，對于大型、復雜的風機葉片，模具或測試模型的制作成本也較高。加工、安裝的誤差或不確定性，也難以評估。
風扇噪聲測試
風扇流場CFD仿真
計算氣動聲學 (Computational AeroAcoustics，CAA) 是研究由湍流產生噪聲的問題，常見的比如風扇噪聲，空調噪聲，通風噪聲等。為了求解湍流中小尺度的特征，需要高精度的空間和時間上的解算方法。在數值上我們既要滿足足夠高的采樣頻率，也要滿足足夠小的空間解析率，同時要考慮到實際項目應用中效率問題，因此對于氣動噪聲的仿真一直是業內難題。
展開 基于Cradle SC/Tetra和Actran聯合仿真的氣動噪聲精確預測
噪聲源主要有兩種構成，振動噪聲源和氣動噪聲源。顧名思義，振動噪聲是由結構振動輻射出來的噪聲，氣動噪聲是由流體流動中的湍流引起并傳播出來的噪聲。在很多應用場景中，了解并掌握氣動噪聲如何產生以及如何傳播對產品的設計有很大意義。比如，下圖中汽車風噪聲，汽車在高速行駛時后視鏡和側窗區域形成的風噪會傳入車內；風機在旋轉做功時會切割空氣并產生渦流，形成周期性較強的離散噪聲和寬頻帶的渦流噪聲；空調管道內流速過快時產生的湍流噪聲等。
在氣動噪聲的模擬計算中，工程師往往關注以下幾點：優化設計的快速性、是否可能在設計前期就進行噪聲預測、仿真計算的網格規模、能否有效控制仿真成本、節約計算時間等。
SC/Tetra可解決的常見CFD問題
下面就給大家介紹MSC Software公司的SC/Tetra和Actran是如何聯合進行氣動噪聲模擬的。
Cradle（MSC子公司）旗下的SC/Tetra是一款通用的CFD軟件，可以提供一站式解決方案套件。Tetra采用有限體積法的迭代方法，可計算多種流動類型，包括可壓縮，不可壓縮和動網格（ALE）等，其性能高效，快速，精確。Tetra典型應用如下圖所示。
FFT（MSC子公司）旗下的Actran是國內外通用的聲學模擬軟件，由于精細的建模方法，便捷的操作流程及精準的計算精度被廣大用戶所接納。Actran主要基于聲學有限元求解各類聲學問題，同時包含聲學無限元、完美匹配層、間斷伽遼金（DGM）、統計能量方法（新版本）等多類方法，可用來求解范圍廣泛的振動噪聲與氣動噪聲問題。Actran便捷易操作的前后處理界面也是一大亮點。近年來，由于Actran在氣動噪聲的優異表現，如汽車風噪聲、風機類旋轉機械噪聲、航空發動機噪聲等方面的卓越表現，已經逐步成為產品開發必不可少的仿真工具。
展開 Ansys CFD氣動噪聲解決方案【8月7日直播】
Ansys CFD 提供了多種氣動噪聲解決方案，主要基于 Fluent 軟件，通過不同的聲學模型和計算方法來實現，常見的有直接計算法、聲比擬法和寬頻法。
8月7日，Ansys官方策劃的研討會『Ansys CFD氣動噪聲解決方案』主要介紹Fluent在氣動噪聲方面的應用、案例，包括基于瞬態的CFD氣動噪聲分析，基于穩態的CFD氣動噪聲分析，聲品質分析及氣動-振動噪聲耦合分析等，干貨滿滿，下滑預約學習??
時間：8月7日（星期四），16：00-17：00
內容簡介：主要介紹Fluent在氣動噪聲方面應用及案例，包括基于瞬態CFD的氣動噪聲分析方法，基于穩態的CFD氣動噪聲分析方法，聲品質分析及氣動-振動噪聲耦合分析方法，以及Ansys加速氣動噪聲的解決方案。
講師：
胡日新 | Ansys高級應用工程師
主要負責Fluent在氣動噪聲方向的技術支持，擁有多年氣動噪聲仿真項目經驗和技術積累。擅長外氣動噪聲、旋轉機械等多類型氣動噪聲的數值模擬與分析及氣動-振動噪聲耦合分析與優化。
形式：線上
費用：免費
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技術鄰簡介：
技術鄰專注于工科技術社區，從最早的CAE技術社區（中國CAE聯盟）發展而來，在CAE領域有20年的教學和咨詢服務經驗。
仿真服務、Ansys 2025R1系列往期錄播免費領取，更多資料，掃碼添加技術鄰客服詳細咨詢~
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