CFD 軟件如何分析噪音的產(chǎn)生、傳播、衰減？

噪音是液壓系統(tǒng)的痼疾之一,請(qǐng)問(wèn)CFD軟件可能分析噪音的產(chǎn)生、傳播、衰減等等?

這些問(wèn)題實(shí)際上都是流體發(fā)生問(wèn)題,包括氣動(dòng)噪聲、水噪聲等。

歸納起來(lái),目前的流噪聲預(yù)測(cè)方法主要有:

(1)半經(jīng)驗(yàn)方法;

(2)直接數(shù)值模擬方法;

(3)CFD和聲類比相結(jié)合的混合方法。其中后兩種都是采用數(shù)值計(jì)算的方法。

半經(jīng)驗(yàn)方法是在大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上結(jié)合理論分析總結(jié)出的經(jīng)驗(yàn)性噪聲預(yù)測(cè)方法。如使用該方法使風(fēng)機(jī)的噪聲與風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸、流量、壓力、甚至流場(chǎng)結(jié)構(gòu)等主要參數(shù)關(guān)聯(lián)起來(lái),對(duì)同一類型的風(fēng)機(jī)有很好的預(yù)測(cè)結(jié)果。但是由于需要大量的物理模型和實(shí)驗(yàn)測(cè)試,耗時(shí)耗力。

聲學(xué)非齊次波動(dòng)方程嚴(yán)格意義上講是三維可壓縮N-S方程的變形形式,可壓縮形式的N-S方程能夠描述在任何流動(dòng)情況下聲波的產(chǎn)生和傳播現(xiàn)象。因此,從理論上講,流聲的數(shù)值計(jì)算可以通過(guò)DNS方法求解。這樣從大尺度到最小的黏性尺度,全部的尺度都被解出,求解結(jié)果包括了聲音的產(chǎn)生和傳播。顯然,這樣的計(jì)算并不存在湍流模型和聲源模型帶來(lái)的模型誤差和近似誤差,而且直接模擬能夠同時(shí)得到流場(chǎng)和聲場(chǎng)的結(jié)果,有利于更好揭示噪聲機(jī)理。然而與流場(chǎng)流動(dòng)的能量相比,聲波的能量要小幾個(gè)數(shù)量級(jí)。因此,這種求解方式通常要求高階、低耗散的方法用于精確捕捉和傳播聲波,同時(shí)從聲源到噪聲測(cè)點(diǎn)劃分的網(wǎng)格也要足夠精細(xì)。因此進(jìn)行直接模擬對(duì)系統(tǒng)資源的要求很高,而且計(jì)算時(shí)間也很長(zhǎng),就工程應(yīng)用而言,這種方法目前還是不實(shí)際的。

CFD和聲類比相結(jié)合的方法是迄今為止最流行的噪聲預(yù)測(cè)方法,此方法也常被稱為混合方法或兩步法。該方法的基本思想是:近場(chǎng)部分采用CFD技術(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬,以獲得準(zhǔn)確的聲源信息數(shù)據(jù);聲波從近場(chǎng)到遠(yuǎn)場(chǎng)部分的傳播采用聲類比方法進(jìn)行精確的求解。聲類比模型忽略聲場(chǎng)對(duì)流場(chǎng)的反饋?zhàn)饔?把噪聲的求解分為兩個(gè)步驟,即將噪聲的產(chǎn)生與傳播過(guò)程分別進(jìn)行計(jì)算。與直接模擬相比,聲類比方法大大降低對(duì)計(jì)算資源的要求,使之能應(yīng)用于現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)上。由于忽略聲場(chǎng)與流場(chǎng)之間的相互作用,不可避免帶來(lái)一定的誤差。然而該方法克服了直接數(shù)值模擬方法方法在遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲計(jì)算方面的不足,大大提高了遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲計(jì)算的效率。

Lighthill聲類比方程的求解方法有積分方法,邊界元方法和有限元方法。要考慮聲波的反射、散射和衍射等作用,需要結(jié)合邊界元或者有限元方法進(jìn)行模擬。

a) 積分解法,如Curle方程和FW-H方程,其優(yōu)點(diǎn)是只需要非定常流場(chǎng)結(jié)果的輸入,而不需要建立額外的聲學(xué)網(wǎng)格,計(jì)算速度很快。其中對(duì)于外流場(chǎng)問(wèn)題,如機(jī)身噪聲,起落架噪聲,螺旋槳噪聲,汽車外噪聲等,可采用自由空間格林函數(shù)求解;然而對(duì)于幾何邊界復(fù)雜的內(nèi)流場(chǎng)問(wèn)題,格林函數(shù)難以得到,只有對(duì)于部分很規(guī)則的空間,諸如自由空間、封閉球空間、無(wú)限大平板半空間等,才能得到其解析表達(dá)式對(duì)于內(nèi)流場(chǎng)噪聲問(wèn)題。

b) 邊界元方法,邊界元方法是一種目前廣泛應(yīng)用在封閉腔體內(nèi)部或外部的聲輻射和散射場(chǎng)預(yù)測(cè)的方法,它可以考慮殼體對(duì)聲傳播的作用,但很難考慮到全部四極子聲源的作用,也沒(méi)辦法考慮聲與結(jié)構(gòu)的相互作用。此外,邊界元方法能求解的網(wǎng)格數(shù)目也有限。

c) 有限元方法,聲學(xué)有限元方法是將Lighthill方程轉(zhuǎn)化為變分形式,采用有限元方法進(jìn)行求解,這樣可以將聲源進(jìn)行空間離散以考慮結(jié)構(gòu)和聲的相互作用。計(jì)算精度高,適用于任何復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)。其主要的缺點(diǎn)是建模復(fù)雜,計(jì)算速度慢,計(jì)算資源耗費(fèi)大。

對(duì)于流動(dòng)引起噪聲的聲傳播問(wèn)題,聲學(xué)計(jì)算域如圖所示。圖中,代表由CFD獲得的聲源的計(jì)算域,為流動(dòng)區(qū)域外的計(jì)算域,其中聲源變?yōu)榱?用于計(jì)算輻射的噪聲。定義為聲源的邊界,為聲學(xué)計(jì)算域的外部邊界。

如果只使用CFD軟件分析噪聲,那么只能采用積分解法,對(duì)于液壓系統(tǒng)這種典型的復(fù)雜邊界內(nèi)流場(chǎng)是不適用的。

現(xiàn)有的商業(yè)CFD軟件中,fluent是提供簡(jiǎn)單的acoustic模塊的,包括寬帶噪聲計(jì)算和FW-H聲學(xué)計(jì)算。其中寬帶噪聲可以基于穩(wěn)態(tài)CFD結(jié)果進(jìn)行分析,只提供一個(gè)幅值,沒(méi)有頻率特性。FW-H方法基于非穩(wěn)態(tài)CFD結(jié)果進(jìn)行聲學(xué)計(jì)算,可以用于模擬從非流線型實(shí)體到旋轉(zhuǎn)風(fēng)機(jī)葉片等噪聲源的傳播,可以分析頻率特性。但同樣,一般只應(yīng)用與自由空間問(wèn)題。

建議還是采用邊界元或有限元方法分析流噪聲,讓那流動(dòng)歸于流動(dòng),噪聲歸于噪聲吧。目前常用的商業(yè)軟件有Virtual.Lab和Actran,可以找資料學(xué)習(xí)一下。

來(lái)源:知乎網(wǎng)

作者:皮皮

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