圓柱繞流氣動噪聲仿真的案例
36 Fluent實用案例 | FW-H 圓柱繞流氣動噪聲計算
本案例對圓柱繞流的氣動噪聲展開了仿真計算。主要涉及到二維模型LES大渦模擬的開啟、FW-H模型的使用。計算模型簡單，為氣動噪聲常用的驗證模型。通過對該案例的學習，后續可以通過該方法對各類航空航天、船舶等領域的氣動噪聲展開預報。
1 workbench 設置
本案例計算模型簡單，相關的workbench設置如下圖：
2 SCDM 設置
2.1 導入幾何
本案例采用的圓柱體直徑為19mm，相關的幾何結構與邊界條件如下圖：
2.2 網格設置
采用SCDM進行網格劃分，采用四邊形網格劃分。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。
3.2 材料設置
此處需要采用正常的空氣材料進行計算，具體設置如下：
3.3 LES 模型開啟設置
在二維計算中，需要手動開啟大渦模擬，開啟所用的命令如下圖所示，大渦模型的相關設置同樣如下圖所示：
C#
Rpsetvar'les-2d?
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
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 圓柱繞流流致噪聲仿真分析
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.
展開 
雙圓柱繞流噪聲研究
4 結論
在非定常CFD計算結果的基礎上采用Actran的聲類比方法來計算雙圓柱繞流的噪聲源，進而采用其有限元聲傳播計算程序計算外部聲場，通過與試驗中測得麥克風的聲壓級進行對比誤差小、精度高，Actran可用于預測模擬飛機起落架或機翼、汽車后視鏡或立柱、機車受電弓等復雜部件的繞流氣動噪聲問題，并為低噪聲設計提供優化指導意見。
圓柱繞流仿真分析
摘要
圓柱低速定常繞流的流型只與Re數有關。在Re≤1時，流場中的慣性力與粘性力相比居次要地位，圓柱上下游的流線前后對稱，阻力系數近似與Re成反比(阻力系數為10~60)，此Re數范圍的繞流稱為斯托克斯區；隨著Re的增大，圓柱上下游的流線逐漸失去對稱性。
當Re>4時，沿圓柱表面流動的流體在到達圓柱頂點（90度）附近就離開了壁面，分離后的流體在圓柱下游形成一對固定不動的對稱漩渦（附著渦），渦內流體自成封閉回路而成為“死水區”（阻力系數2～4）；隨著Re的增大，死水區逐漸拉長圓柱前后流場的非對稱性逐漸明顯，此Re數范圍稱為對稱尾流區。Re>40以后，附著渦瓦解，圓柱下游流場不再是定常的，圓柱后緣上下兩側有渦周期性地輪流脫落，形成規則排列的渦陣，這種渦陣稱為卡門渦街；此Re數范圍稱為卡門渦街區（阻力系數1～2）。
Re>300以后，圓柱后的“渦街”逐漸失去規則性和周期性，但分離點（約82度）前圓柱壁面附近仍為層流邊界層，分離點后為層流尾流。當Re*>200000~400000時，層流邊界層隨時有可能轉涙為湍流，分離點后移至100度以后，湍流時繞流尾跡寬度減小，阻力系數驟減（從1減到0.2）。
2. 物理模型介紹
在一定條件下的來流繞過一些物體是，物體兩側會周期性地脫落處旋轉方向相反，并排列成有規則的雙列渦旋。為研究這一具有明顯流動特征的流動，現以ANSYS18.0作為計算平臺，并將圓柱作為繞流流動結構研究的物理模型進行研究。
本案例所模擬的是低雷諾數圓柱繞流。圖1是模型示意圖，模型中圓柱直徑10mm，計算域X*Y*Z為100mm*200mm*1mm。
展開 基于comsol的自由液面的斜坡斜圓柱繞流仿真 ￥1870
</p><p><img src="https://www.yqgqt.org.cn/platform/static/ueditor/dialogs/attachment/fileTypeImages/icon_rar.gif"><a href="https://oss.jishulink.com/upload/201909/d84bfa0e6ec74171ba71a2033455184b.rar" rel="noopener noreferrer" target="_blank" style="color: rgb(0, 102, 204);">自由液面繞流.rar</a></p><p><br></p><p>利用comsol的兩相流：</p><p>1、繪制幾何，1度的斜坡，45度的斜圓柱。 以及上下空氣層與水層。</p><p>2、入口流速，依靠重力加速</p><p>3、水流繞流圓柱，再圓柱背后留下穩定的水坑。</p><p>4、可以對比不同的圓柱傾斜角度，水層厚度帶來的 阻力系數的變化。
展開 FLUENT精典案例#371-低雷諾數層流串列雙圓柱繞流仿真
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FLUENT精典案例#371-低雷諾數層流串列雙圓柱繞流仿真
01
問題介紹
如下圖所示的兩個圓柱尺寸為直徑D=0.04m間距5D，計算域為4mx2m。計算雷諾數200的層流非定常工況，監測圓柱上的升力、阻力和渦街。假設流體介質為空氣，密度為1，粘度 為0.0002，來流速度為1。
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 干貨 | ANSYS Fluent氣動噪聲仿真模型解析
圖4 氣動噪聲仿真的注意點
風機氣動噪聲的優化，可通過流場中靜壓、渦量及湍流動能等參數的大小來進行優化預測，然后通過改善導流罩、葉型以及其它參數結構來降低噪聲。可通過DesignXplorer模塊，實現多目標優化（見圖5）。
圖5 Workbench平臺在DesignXplorer模塊及其多目標優化功能
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 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 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
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