ansys 氣動聲學
關注創建者：王靖雯 創建時間：2023-03-08
ansys 氣動聲學的視頻教程
MSC氣動聲學全解決方案--基于scFLOW2Actran的HVAC管道氣動噪聲案例展示
本視頻結合案例給大家介紹MSC Software公司的scFLOW和Actran是如何聯合進行氣動噪聲模擬的。
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STARCCM 系列CFD課程16-氣動聲學
一、課程安排 <01> 寬帶模型：圓柱體噪聲（準備） <02> DES 和 FW-H 實時：圓柱體噪聲（非穩態分析） <03> Ffowcs Williams-Hawkings：聲音傳播（2406版） <04> 信號后處理：FFT 與波數 <05> 聲波建模：圓柱體噪聲 <06> Lighthill 波與擾動對流波建模：簡化 HVAC 管道 <07> 海綿層建模：簡化尾管 二、軟件版本說明
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ansys 氣動聲學的實例教程
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 精彩直播預告
氣動噪聲分析在汽車、航空、電子等多個行業都有著廣泛應用，通過對產品氣動噪聲分析提升產品的舒適性，優化產品結構設計和減少噪聲污染。同時，有助于提高產品性能和質量，增強市場競爭力，為人們創造更加安靜、高效的工作和生活環境。
海克斯康工業軟件在氣動噪聲分析上有一套完整的解決方案，使用scFLOW2Actran氣動聲學包實現Cradle CFD流體軟件和Actran聲學軟件聯合仿真進行氣動噪聲仿真分析。由于氣動噪聲仿真對高精度空間和時間解算方法的需求，所以在仿真分析的過程中對計算資源和時間要求也十分高。scFLOW2Actran氣動聲學包在使用過程中數據傳遞十分便捷，能夠在Cradle頁面設置聲學求解參數，調用Actran求解器進行計算，極大降低了氣動噪聲分析的學習成本。
本次直播海克斯康直播講堂請到了流體仿真和聲學仿真兩位專家為我們帶來基于Cradle和Actran的散熱風扇氣動噪聲聯合仿真案例，對氣動噪聲全流程解決方案進行講解，并針對旋轉機械噪聲多種仿真方案進行對比。此外，還分享了scFLOW2Actran氣動聲學包案例，以及一種預測風扇噪聲的新方法（偶極子環）。敬請關注！
9月20日 14:00
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直播內容聚焦
?? 氣動噪聲全流程解決方案；
?? 一種預測風扇噪聲的新方法（偶極子環）；
?? Actran旋轉機械噪聲多種仿真方案對比；
?? scFLOW2Actran氣動聲學包案例分享。
蔣釗
海克斯康流體仿真專家
具備多年流體仿真經驗，負責Cradle CFD軟件的售前售后及項目咨詢服務，能夠針對客戶的需求能提供有效、合理、針對性的流體解決方案，為客戶解決實際應用問題。
展開 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。
展開 只要將 CFD RANS 模型的湍流粘度耦合到聲學模型中，即可將衰減效應引入模型。比如說，在分析存在流動現象的消聲器系統的傳輸損耗時，衰減效應是一個重要的考慮因素。
建模注意事項
求解屬于計算氣動聲學（computational aeroacoustics，簡稱 CAA）領域的線性納維-斯托克斯方程時，我們需要仔細考慮、理解與處理數值挑戰。如上所述，控制方程在物理（開爾文-亥姆霍茲）和數值方面具有不穩定性。由于接口應用了穩定性，那么剩下的關鍵數值難題就是避免在包含背景場變量（p0、u0、T0 和 ρ0）的項中引入數值噪音。如果反應項的變量存在梯度，尤其需要注意這一點。
如果 CFD 和聲學模型采用不同的網格，且/或背景流場和聲學問題采用不同的離散化階次，此問題發生的可能性更大。請注意，我們之所以使用不同的網格或離散化階次，主要是因為這兩個問題需要求解不同的物理場和長度尺度。為了防止此類情況，我們需要謹慎地將背景流場的數據從 CFD 映射到聲學模型。這是計算氣動聲學建模中一個易于理解和描述的步驟。另外，映射步驟可用于平滑 CFD 數據，可以是整體平滑，也可以是特定細節——比如流體動力學邊界層——的局部平滑，如果細節對于聲學模型不重要的話。
在 COMSOL Multiphysics 中，網格之間的映射由另外的研究步驟來完成。Acoustics Module User’s Guide 和線性納維-斯托克斯物理場接口的應用教學模型描述了此步驟的詳細信息。
使用線性納維-斯托克斯物理場接口執行仿真時，應考慮以下幾點：
解析聲學邊界層：根據所模擬的物理效應和模型大小，判斷是否需要對聲學邊界層進行解析。如果不需要，則將壁上默認的無滑移和等溫條件改設為滑移和絕熱條件。背景流場的解析細節也會影響這一選擇。
展開 氣動噪聲（Aerodynamic noise）主要是流體高速運動以及其與固體表面相互作用產生的噪聲，廣泛應用于汽車行業，典型的案例包括汽車風噪聲、進排氣系統噪聲、高速列車受電弓及轉向架噪聲、空調系統噪聲等。氣動噪聲不僅會大大降低產品的舒適性，還會帶來嚴重的環境問題并面臨越來越嚴苛的環評標準，因此已經成為當前汽車行業廣泛關注和研究的問題。
隨著計算能力的發展，氣動聲學仿真逐漸成為研究和解決氣動噪聲問題的可靠工具。氣動噪聲本質上可以認為是流動現象的“副”產品，原則上需要通過計算流體力學（CFD）進行仿真。不過，由于氣動噪聲的傳播具有典型的聲學特征，其仿真策略必然有別于傳統的CFD，具有獨特的聲學仿真特點。LMS Virtual.Lab 具備全面分析氣動噪聲的能力，基于聲類比（Acoustic analogy）原理，即先計算確定聲源，然后計算已知聲源的傳播問題，包括考慮聲波的反射、散射、吸收等聲學效應以及背景流場的速度梯度、溫度梯度等環境效應。本次研討會將以LMS Virtual.Lab Acoustics仿真平臺為載體，針對氣動聲學自身的特點，進行相關的基本原理、工程問題解決策略以及汽車行業典型應用案例的介紹和經驗分享。
時間：2016年11 月11日 星期五上午10:00-11:30
主講人：劉文 博士 LMS Virtual.Lab Acoustic 技術工程師
費用：免費
內容安排：
? 流動介質中聲傳播計算
? 流致振動向內場傳播噪聲計算
? 外場輻射噪聲計算：包含壁面偶極子、旋轉壁面偶極子、湍流四極子噪聲計算
? 汽車行業相關應用案例講解
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eVTOL ，電動垂直起降飛行器（Electric Vertical Takeoff and Landing）現在對于大家來說應該不是一個陌生的名詞了，過去一年里，eVTOL 產業發展迅速，許多國家都在積極開展相關研究和試點項目。
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
Ansys Mechanical NVH 是 Ansys 公司開發的一款用于噪聲、振動與聲振粗糙度（Noise、Vibration、Harshness）分析的軟件工具。
本次研討會從電磁激勵分析、振動沖擊分析、聲學分析、聲品質優化四個方面出發，介紹其完善的聲學求解器能力以及Mechanical NVH工具集等關鍵技術。
6月12日，Ansys
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高速飛行器鼻錐
/天線罩面臨著強烈的氣動生熱環境，需要一種抗氧化
/燒蝕的耐高溫材料制備部件。碳化硅、硼化鋯以及硅硼碳氮（非透波體系）和氮化硅、氮化硼（透波體系）等先進陶瓷材料可作為其備選材料。除了需要考慮外邊緣選材外，對部件的熱控制也是需要考慮的重要因素，因此需要對部件的熱
-力狀態進行分析。計算流體力學
(CFD)是用于計算飛行器氣動加熱的重要工具，本文將初步介紹飛行器氣動加熱計算過程
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
內容簡介
Ansys Fluent Dynamic Adaption是基于計算結果的網格自適應加密功能）可基于幾何和計算數值解對網格進行細化和/或粗化。與結構網格相比，減少了設置時間、提高了計算效率。
ANSYS FLUENT可以通過氣動聲學CFD分析，模擬得到噪音的分布。人類可聽到噪音源振幅來自壓力。原始設計的可聽頻率是小于50分貝(dB)的噪聲，其足夠低，可以混合到背景噪聲中。
內容簡介
飛行器外氣動新功能更新、涉及高速算法、外氣動模板、雙溫模型、燒蝕模型、動網格、重疊網格、輔助收斂等相關功能。
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。
