气动噪声模型使用指南.pdf

ANSYS Fluent 气动噪声模型使用指南 ANSYS Fluent 气动噪声模型使用指南 1 1 ANSYS Fluent 的气动噪声模型特点介绍 1 1.1 CAA（直接模拟模型） 1 1.2 Acoustic Analogy Modeling（声比拟模型） 2 1.3 Broadband（宽频噪声模型） 2 2 ANSYS Fluent 的气动噪声模型设置 4 2.1 Broadband（宽频噪声模型） 4 2.2 F-W-H（声比拟模型） 7 2.3 CAA（直接模拟模型） 16 3 ANSYS Fluent 气动噪声测试案例 22 3.1 圆柱绕流 22 3.2 跨音速空腔流动 26 3.3 跨音速翼型绕流 31 1 ANSYS Fluent 的气动噪声模型特点介绍 1.1 CAA（直接模拟模型） ANSYS Fluent 中的CAA 方法可以通过求解流体动力学方程直接得到声波的产生和繁 殖现象。声波的预测需要控制方程时间精度的解，而且，CAA 方法需要ANSYS Fluent 通过 求解非稳态N-S 方程（如DNS ）、非稳态雷诺平均RANS 方程以及在分离涡DES 和大涡LES 模拟中用到的滤波方程，精确模拟粘性效应和湍流效应。 CAA 方法需要高精度的数值求解方法、非常精细的网格以及声波非反射边界条件，因 此计算代价较高。如果要计算远场噪声（比如几百倍的机翼弦长远处的噪声传播），CAA 方 法则需要超大规模并行计算支持；但是如果计算近场噪声（比如，机身表面的APU、空穴、 微小部件扰动噪声），CAA 方法是容易可行的。在大多包含近场噪声的计算中，由于局部压 力波动导致的噪声是可以通过ANSYS Fluent 准确模拟的。既然CAA 方法直接求解声波传 播，那么需要求解可压缩的控制方程（如雷诺平均方程、可压缩的 LES 大涡模拟的滤波方 程）。当流动速度较低或亚音速流动时，而且近场中的噪声源主要由局部压力波动构成，则 可以使用不可压缩流动。然而，不可压缩流动处理不能模拟回声和声波反射现象。 1.2 Acoustic Analogy Modeling（声比拟模型） 对于中场和远场噪声模拟，ANSYS Fluent 采用基于Lighthill 的“噪声比拟”方法，作 为CAA 方法的补充是ANSYS Fluent 中计算代价较小的方法之一。“噪声比拟”方法不同于 CAA 方法，它把波动方程和流动方程解耦，在近场流动解析采用适当的控制方程比如非定 常雷诺平均、DES 分离涡或LES 大涡模拟等方法，然后再把求解结果作为噪声源，通过求 解波动方程得到解析解，这样就把流动求解过程从声学分析中分离出来。 ANSYS Fluent 采用基于Ffowcs Williams and Hawkings （FW-H 方程）的方程，FW-H 方 程采用最通用的Lighthill 的“噪声比拟”方法，可以求解由单极子、偶极子和四极子产生的 噪声传播。ANSYS Fluent 采用时域积分的方法（声压、噪声信号与时间相关），通过少量的 面积分计算指定位置的噪声。 流场变量（如压力、速度分量、源（散射）面的密度）时间精度的解的获得需要求解面 积分。时间精度的解可以从非稳态雷诺平均方程（URANS ）、大涡模拟（LES ）、或分离涡 （DES ）模型求解得到，可以捕捉精确的流动特征如涡脱落等现象。 ANSYS Fluent 中的噪声积分源面不仅可以放在不可穿透壁面上，也能放在内部（可穿 透）面上，这样就可以考虑源面包围的四极子噪声贡献。特别是针对飞行器高、亚音速流动， 四极子噪声影响不可忽略，ANSYS Fluent 中先进的基于“可穿透面积分”的FW-H 模型可 以很好解决高、亚速气动噪声问题。 宽频噪声和音频噪声都可以通过精确求解流动中的噪声源特征体现，但这对各种流动的 湍流模型要求较高，ANSYS Fluent 中丰富的湍流模型可以满足流动求解的精度。 ANSYS Fluent 中的FW-H 噪声模型可以选择多个源面和接收位置，也可以保存噪声源 数据，或在瞬态流动求解过程中同时执行噪声计算。声压信号可以通过快速傅立叶（FFT ） 变换得到，结合ANSYS Fluent 后处理获得全部声压标准（SPL）和能量谱范围下的噪声数 据图。 ANSYS Fluent 的FW-H