CFD 软件如何分析噪音的产生、传播、衰减？

噪音是液压系统的痼疾之一,请问CFD软件可能分析噪音的产生、传播、衰减等等?

这些问题实际上都是流体发生问题,包括气动噪声、水噪声等。

归纳起来,目前的流噪声预测方法主要有:

(1)半经验方法;

(2)直接数值模拟方法;

(3)CFD和声类比相结合的混合方法。其中后两种都是采用数值计算的方法。

半经验方法是在大量实验的基础上结合理论分析总结出的经验性噪声预测方法。如使用该方法使风机的噪声与风机的结构尺寸、流量、压力、甚至流场结构等主要参数关联起来,对同一类型的风机有很好的预测结果。但是由于需要大量的物理模型和实验测试,耗时耗力。

声学非齐次波动方程严格意义上讲是三维可压缩N-S方程的变形形式,可压缩形式的N-S方程能够描述在任何流动情况下声波的产生和传播现象。因此,从理论上讲,流声的数值计算可以通过DNS方法求解。这样从大尺度到最小的黏性尺度,全部的尺度都被解出,求解结果包括了声音的产生和传播。显然,这样的计算并不存在湍流模型和声源模型带来的模型误差和近似误差,而且直接模拟能够同时得到流场和声场的结果,有利于更好揭示噪声机理。然而与流场流动的能量相比,声波的能量要小几个数量级。因此,这种求解方式通常要求高阶、低耗散的方法用于精确捕捉和传播声波,同时从声源到噪声测点划分的网格也要足够精细。因此进行直接模拟对系统资源的要求很高,而且计算时间也很长,就工程应用而言,这种方法目前还是不实际的。

CFD和声类比相结合的方法是迄今为止最流行的噪声预测方法,此方法也常被称为混合方法或两步法。该方法的基本思想是:近场部分采用CFD技术进行数值模拟,以获得准确的声源信息数据;声波从近场到远场部分的传播采用声类比方法进行精确的求解。声类比模型忽略声场对流场的反馈作用,把噪声的求解分为两个步骤,即将噪声的产生与传播过程分别进行计算。与直接模拟相比,声类比方法大大降低对计算资源的要求,使之能应用于现有的计算机上。由于忽略声场与流场之间的相互作用,不可避免带来一定的误差。然而该方法克服了直接数值模拟方法方法在远场噪声计算方面的不足,大大提高了远场噪声计算的效率。

Lighthill声类比方程的求解方法有积分方法,边界元方法和有限元方法。要考虑声波的反射、散射和衍射等作用,需要结合边界元或者有限元方法进行模拟。

a) 积分解法,如Curle方程和FW-H方程,其优点是只需要非定常流场结果的输入,而不需要建立额外的声学网格,计算速度很快。其中对于外流场问题,如机身噪声,起落架噪声,螺旋桨噪声,汽车外噪声等,可采用自由空间格林函数求解;然而对于几何边界复杂的内流场问题,格林函数难以得到,只有对于部分很规则的空间,诸如自由空间、封闭球空间、无限大平板半空间等,才能得到其解析表达式对于内流场噪声问题。

b) 边界元方法,边界元方法是一种目前广泛应用在封闭腔体内部或外部的声辐射和散射场预测的方法,它可以考虑壳体对声传播的作用,但很难考虑到全部四极子声源的作用,也没办法考虑声与结构的相互作用。此外,边界元方法能求解的网格数目也有限。

c) 有限元方法,声学有限元方法是将Lighthill方程转化为变分形式,采用有限元方法进行求解,这样可以将声源进行空间离散以考虑结构和声的相互作用。计算精度高,适用于任何复杂的几何结构。其主要的缺点是建模复杂,计算速度慢,计算资源耗费大。

对于流动引起噪声的声传播问题,声学计算域如图所示。图中,代表由CFD获得的声源的计算域,为流动区域外的计算域,其中声源变为零,用于计算辐射的噪声。定义为声源的边界,为声学计算域的外部边界。

如果只使用CFD软件分析噪声,那么只能采用积分解法,对于液压系统这种典型的复杂边界内流场是不适用的。

现有的商业CFD软件中,fluent是提供简单的acoustic模块的,包括宽带噪声计算和FW-H声学计算。其中宽带噪声可以基于稳态CFD结果进行分析,只提供一个幅值,没有频率特性。FW-H方法基于非稳态CFD结果进行声学计算,可以用于模拟从非流线型实体到旋转风机叶片等噪声源的传播,可以分析频率特性。但同样,一般只应用与自由空间问题。

建议还是采用边界元或有限元方法分析流噪声,让那流动归于流动,噪声归于噪声吧。目前常用的商业软件有Virtual.Lab和Actran,可以找资料学习一下。

来源:知乎网

作者:皮皮

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