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Fluent中的氣動聲學(xué)模型

放大字體  縮小字體 發(fā)布日期:2023-06-29 08:35:35    作者:何振軒    瀏覽次數(shù):398
導(dǎo)讀

Fluent提供了三種計算氣動噪聲得方法:直接方法、混合方法和利用寬帶噪聲源模型得方法。其中在混合方法中,F(xiàn)luent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得差分聲波傳播

Fluent提供了三種計算氣動噪聲得方法:直接方法、混合方法和利用寬帶噪聲源模型得方法。其中在混合方法中,F(xiàn)luent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得差分聲波傳播方法。

1、直接方法

該方法通過求解相應(yīng)得流體動力學(xué)方程,直接計算聲波得產(chǎn)生和傳播。聲波得預(yù)測需要控制方程得時間精確解。此外,在直接方法得大多數(shù)實際應(yīng)用中,必須使用能夠模擬粘性和湍流效應(yīng)得控制方程,如非定常Navier-Stokes方程(即DNS)、RANS方程,以及在LES和混合RANS-LES模型中使用得過濾方程。

因此,直接法計算非常困難且消耗計算資源,因為其需要高度精確得數(shù)值求解,非常精細得計算網(wǎng)格,以及聲學(xué)上無反射得邊界條件。當(dāng)在遠場中預(yù)測聲音時,計算成本變的令人望而卻步(例如,在翼型問題中需要數(shù)百個弦長)。當(dāng)接收器處于近場(如艙內(nèi)噪聲)時,直接方法變的可行。在許多涉及近場聲音得情況下,聲音(或偽聲音)主要是由于局部動水壓力,專業(yè)以合理得成本和精度預(yù)測。

由于在這種方法中聲音傳播是直接求解得,所以通常需要求解可壓縮形式得控制方程(例如,可壓縮得RANS方程,可壓縮形式得LES濾波方程)。只有在低亞音速流動和近場接收器主要感知局部動水壓力波動(即偽聲)得情況下,才能使用不可壓縮流動公式。但是這種不可壓縮得處理也無法模擬共振和反饋現(xiàn)象。

2、Ffowcs Williams-Hawkings積分方法

對于中場到遠場噪聲得預(yù)測,基于Lighthill聲類比方法為直接方法提供了可行得替代方案。該方法利用非定常RANS方程、DES、SAS、SDES、SBES或LES@控制方程的到得近場流動,借助波動方程得解析積分解來預(yù)測聲音。聲學(xué)類比本質(zhì)上把聲音得傳播與其產(chǎn)生分離開來,使人們能夠?qū)⒘鲃忧蠼膺^程與聲學(xué)分析分離開來。

ANSYS FLUENT提供了一種基于FWOWCS Williams and Hawkings(FW-H)公式得方法。FW-H公式采用了Lighthill聲類比得通用形式,能夠預(yù)測單極子、偶極子和四極子@@效聲源所產(chǎn)生得聲音。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得聲壓或聲信號得時間歷程。

流場變量(如聲源面得壓力、速度分量和密度@)得時間精確解是計算表面積分得必要條件。時間精確解專業(yè)從非定常RANS方程、大渦模擬(LES)或混合RANS-LES模型中獲的,以適用于手頭得流動和想要捕捉得特征(如渦脫落)。聲源面不僅專業(yè)放置在不透水得壁面上,還專業(yè)放置在內(nèi)部(滲透)面上,這使的能夠考慮聲源面所包圍得四極子得貢獻。寬頻噪聲和聲調(diào)噪聲都專業(yè)根據(jù)流動計算中考慮得流動性質(zhì)(噪聲源)、湍流模型得使用以及流動得時間尺度進行預(yù)測。

FLUENT中得FW-H模型得一個重要缺陷是其只適用于預(yù)測聲音在自由空間得傳播。因此雖然該模型專業(yè)合理地用于預(yù)測由外部空氣動力流動(如地面車輛和飛機周圍流懂)引起得遠場噪聲,但它不能用于預(yù)測管道或墻壁封閉空間內(nèi)得噪聲傳播。

3、基于波動方程得方法

這種混合模擬方法是猥瑣模擬低馬赫數(shù)流動得氣動聲學(xué),聲源得計算采用不可壓縮流動模型,聲源產(chǎn)生得聲音傳播得計算采用微分波動方程。Fluent中實現(xiàn)得聲學(xué)波動方程是由Ewert和Schroeder 在恒密度流動假設(shè)下推導(dǎo)出得聲擾動方程。該模型得主要優(yōu)點是:

與僅適用于開放空間聲傳播模型得Ffowcs Williams-Hawking積分求解器相比,擴展了適用性簡單方便得混合氣動聲學(xué)仿真工作流程,不需要通過磁盤文件在不同軟件組件之間進行任何數(shù)據(jù)交換,也不需要在不同網(wǎng)格上對聲源插值。采用同計算域、同計算網(wǎng)格得流體流動和噪聲傳播得瞬態(tài)聯(lián)合模擬。4、寬帶噪聲源模型

在許多涉及湍流得實際應(yīng)用中,噪聲沒有任何明顯得聲調(diào),聲能量在很寬得頻率范圍內(nèi)連續(xù)分布。在涉及寬帶噪聲得情況下,專業(yè)利用從RANS方程計算得統(tǒng)計湍流量,結(jié)合半經(jīng)驗關(guān)系式及Lighthill聲類比,來揭示寬帶噪聲得近日。

FLUENT提供了幾個這樣得聲源模型,能夠量化局部貢獻(單位面積或體積)得流動產(chǎn)生得總聲功率。其中包括:

Proudman模型射流噪聲源模型邊界層噪聲源模型線性歐拉方程源項Lilley方程源項

考慮到人們最終是想要提出一些措施來降低噪聲,因此利用噪聲源模型專業(yè)對聲源進行診斷,以確定流動得哪一部分是產(chǎn)生噪聲得主要原因。需要注意得是,這些聲源模型并不能預(yù)測接收器處得聲音。

與直接法和FW-H積分法不同,寬帶噪聲源模型不需要對任何流體動力學(xué)方程進行瞬態(tài)求解。噪聲源模型所需要得是典型得RANS模型所提供得物理量(如平均速度場、湍動能和湍流耗散率@)。因此使用寬帶噪聲源模型需要計算資源較少。

 
(文/何振軒)
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