流致噪聲仿真的案例
圓柱繞流流致噪聲仿真分析
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 管道式淺空腔內流致噪聲數值仿真
本案例建立了一管道式淺口腔結構，基于COMSOL軟件的CFD模塊和聲學模塊仿真了管道系統中一種簡單的腔內流噪情景。仿真結果如圖所示。
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旋轉機械流致噪聲解決方案
2.2.2流致振動噪聲分析流程
在進行流致振動噪聲計算時，一般需要考慮流體脈動引起結構的振動噪聲，考慮到流體可壓計算收斂困難和計算效率低等原因，通常CFD定義為不可壓模型，此時需要提取結構表面（如管道或者蝸殼等）脈動信息和湍流聲源，同時考慮殼體內外部聲場、結構聲透射以及吸聲材料特性等，進行包含有流場和結構的聲振耦合求解，獲得流動引起的結構輻射噪聲問題。
圖2-2 流致振動噪聲計算流程圖
對以上分析流程解釋如下：
（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，輸出CFD基本量如速度、壓力、密度等值；
（2）利用Actran軟件提取流動壓力脈動和體聲源信息，然后進行離散傅里葉的時頻轉換，將時域的信息轉換為頻域的信息；
（3）建立聲振耦合仿真計算模型，將（2）中獲得流體氣動聲源激勵和湍流脈動激勵插值到聲學網格上，同時可以考慮試驗值獲得的結構振動激勵；
（4）進行流體和結構耦合的旋轉機械系統振動與噪聲求解計算；
（5）結果后處理，導出預設場點的聲場云圖和聲壓頻響函數，或者導出結構振動位移。
實際的工程問題可能同時存在上述的兩種噪聲源（湍流噪聲與流致振動噪聲），試驗測試的結果往往也包括所有這些噪聲源，但是我們很難從測試數據中分離出這些噪聲源。采用數值仿真手段就很容易對這兩種噪聲源分開計算，也可以同時考慮兩種噪聲源作用下的噪聲結果，這樣做的目的就可以方便的統計出不同噪聲源對噪聲的貢獻量，以及不同噪聲源起主導作用的頻段，從根本上了解噪聲的發生機制，為后續降噪優化提供科學的依據。
3 數值計算建模規范
3.1CFD計算設置規范
3.1.1網格劃分要求
流動噪聲計算中核心部件是旋轉葉片，為了更好的計算流動區域的流場，特別是葉片的流動邊界層，需要對葉片生成邊界層網格。
展開 Exa新的空氣聲學模擬技術——流致噪聲檢測
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。
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【直播】資深專家分享基于有限元方法的整車風噪聲仿真分析
基于有限元方法的整車風噪聲仿真分析
隨著動力總成噪聲、輪胎/路面噪聲得到有效控制以及車速的不斷提高，風噪聲已成為當前高速車輛的主要噪聲源之一。在較高行駛速度下，汽車風噪聲能量會隨汽車行駛速度的六次方增長，而其它噪聲隨車速的增長遠低于風噪。風噪是高速行駛下汽車的重要噪聲源，它對車內人員的乘坐舒適性有著重要影響。
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。
主要針對人員
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。
直播時間
6月28日，晚上19點30。
資深專家，珍藏分享！
敲黑板，劃重點，免費，免費，免費！
講師介紹
姜鴻
氣動聲學部門經理
主要從事整車風噪聲仿真分析與優化、HVAC氣動噪聲仿真分析與優化等相關工作，曾主持完成多個整車風噪聲開發項目，包括：某新能源汽車風噪聲仿真分析與對標、整車風噪聲快速仿真分析方法研究、HVAC氣動噪聲分析與優化、發動機冷卻風扇噪聲分析與優化等項目。
直播福利
長按識別二維碼技術鄰客服，領取官方噪聲資料包一份！
展開 沃爾沃乘用車NVH及聲學仿真案例剖析-第四屆Actran 用戶大會汽車行業主題演講回顧
在仿真模型中，可以做到輸入電壓，得到喇叭聲學響應的效果。
喇叭單體安裝在車門上的效應也很重要，這是由于車門的結構及其空氣背腔會影響喇叭的性能。針對這類安裝效應，需要考慮車門和喇叭的集成模型，對此沃爾沃也做了仿真與測試的對比。
最后是集成到藍車身中的喇叭性能研究，展示了仿真與測試的對比。
應用4：風噪聲仿真分析 (wind noise based on Fluent CFD results)
對于高速行駛的車輛，風噪聲是重要噪聲源。沃爾沃采用了流體軟件Fluent和Actran聯合仿真的技術，進行風噪聲源的計算及其透過側窗向車內的傳播。
沃爾沃在風洞中測試了V70轎車在時速140公里條件下的噪聲，對A柱和后視鏡附近區域進行了聲強的測量。
下面是CFD的設置，采用非定常仿真大渦模擬，將側窗附近區域的流場計算結果依時間步輸出。
下面是Actran氣動聲學設置，建立側窗附件的聲學傳播區，并布置虛擬麥克風場點以計算聲強結果。
通過對比測試結果與仿真結果，可以總結出仿真精度受CFD網格加密影響較大。由此得出了聲學仿真截斷頻率與CFD網格加密程度之間的關系。
這里展示的僅是風噪外聲場計算，傳遞到車內的聲場計算目前正在開展中。
應用5: 進氣管道流致噪聲及共鳴腔設計 (intake – flow in ducts – resonator design)
汽車在低速加速時，渦輪壓縮機可能產生一些明顯的噪聲（如whoosh流噪, sigh noise等），這些噪聲會經過進氣系統，以管道進口噪聲和結構振動輻射噪聲的形式向車外傳播。
由于沃爾沃已經對增壓器的噪聲頻率有了較好的把握，因此可以通過在進氣管道中增加共鳴腔的方式抑制管道噪聲。共鳴腔的幾何設計可由需要抑制的目標頻率確定。
展開 風扇氣動噪聲仿真分享
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。
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