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渐渐307版权所有，专做CFD电线气动噪声分析与研究目录一、引言1.1气动声学概况1.2气动声学的发展二、噪声模型介绍2.1直接模拟模型（CAA模型）2.2噪声比拟模型（FW-H模型）2.3宽频噪声模型三、电线气动噪声模型分析与计算3.1问题描述3.2几何建模与网格划分3.3模型计算3.4结果分析与讨论四、总结与思考五、参考文献渐渐307版权所有，专做CFD一、引言1.1气动声学概况从史前以来，人们对由流体运动而产生的声音已十分熟悉。在空气中的声音，人们称之为气体动力声，在液体中的声音则称它为流体（水）动力声。风吹过树枝所产生的啸声、管乐器和水壶的唿哨声以及人的口哨声等，都是普通的气体动力声源的实例。尽管人们长期与这种不可见的声源相处在一起，可是直到第二次世界大战结束时，人们对它的了解仍然很少。涡轮喷气式飞机和火箭，这两个世界上最大的气体动力声源的出现促使一些优秀的科学家进行了一系列关于气动声学的研究，并用了几年的时间初步建立起了气动声学领域的理论基础。气动声学它研究的内容是流动与声的相互作用问题，重点放在研究流动及其与物体作用导致噪声产生的机理。所包含的基本物理过程是流体中的波动、涡和声等运动之间的相互作用。具体问题的气动噪声是多种多样的，如叶轮机械噪声、喷气噪声、螺旋桨噪声、管道噪声等。气动噪声不仅引起环境污染，还会造成结构的疲劳和破坏。在军事上，预防并减少噪声显得尤为突出。所以，理解、预测并最终能控制气动噪声具有非常重要的意义。由此可见，气动声学是介于气体力学和声学基础这两门学科之间的一门交叉性和边缘性学科。当今国内外从事气体动力学和声学研究的工作者，都怀着很大的兴趣对气动声学进行研究，当然，研究的侧重点各有不同。气动声学在近二三十年才获得发展，其主要原因有两个：一是由于第二次世界大战后，大型喷气式飞机问世所带来的巨大噪声污染，以及近几十年来，随着世界各国对环境保护工作的重视而不断要求降低诸如通风、空调、冷却器、汽车、高速列车等系统中出现的气动噪声污染所致。二是气动声学发展必须建立在气体力学和声学这两门学科本身发展的基础上，两门学科都有一些尚未完全解决的一些难题，如气体力学中湍流流动和非定常作用力的研究，以及声学中的湍流气流中运动的固体壁面所产生的声辐射场的估计等。因此气动声学的研究，无论从理论计算还是从实验研究上来说都是有相当难度的[1]。1.2气动声学的发展随着计算机能力的提高，数值模拟方法越来越多的被应用到柱体绕流噪声的研究中。对柱体噪声进行的研究工作根据噪声预测的复杂和精确程度可分为三大类：第一类是利用不完全分析方法，它把动力声源项和声传播过程分开来进行计算，声传播过程的数值计算是基于源项包含不稳定流动变量的波动方程的积分公式，在各种各样的波动方程类型中，应用最广的要属Lighthill的声类比波动方程。随后Curle针对静止固体壁面边界进行了扩展，FfowcsWilliams和Hawkings则针对运动固体壁面边界进行了扩展。在这一类方法中，声源数据的获得来自于计算流体动力学（CFD）技术的发展，Hardin和Lamkin以及Cox、Brentlner和Rumsey就利用此方法对圆柱绕流辐射噪声进行了数值研究。与其它方法相比，利用这种方法计算非常有效。然而，在利用此方法的大多数研究中，研究主要集中在预测基于Curle声类比观察点的噪声大小而没有对噪声产生机制进行详细的研究[2]。第二类方法是基于流动变量由“基流”分量和“残流”分量表示的混合数值方法，由此产生了分别代表流场和声场的控制方程。利用此方法的最大好处是其数值运算方法最适合求解粘性流场和声场。Hardin和Pope针对低速不可压流动情渐渐307版权所有，专做CFD况运用此方法进行了扩展研究，他们利用从不可压N-S方程获得的整个不可压粘性流场来预测声场。一旦水力密度常数被准确获得，声辐射噪声就能从因变量被分成水力项和声学项的可压缩Euler方程预测到。但后来Shen,Sorensen发现Hardin和Pope的提出的扩展公式中存在矛盾并提议修正予以克服。该修正公式被应用到层流绕流单圆柱和湍流绕流机翼中。另一种数值混合方法是基于Ewert和Schroder的声扰动方程，这些方程从可压缩和不可压缩流动预测产生的声源项驱动。他们运用此方法对层流绕流单柱体进行了研究。然而，获得的结果只是定性的，没有提供声场及其产生机制的详细论述。第三类方法是利用非稳态可压N-S方程直接计算声场的计算声学（CAA）技术来预测气动噪声。最近在空气动力噪声产生机制上的研究上的进展主要是基于计算声学技术。然而，解决低马赫数气动噪声问题需求庞大的计算资源，对其进行直接数值计算还是非常困难的。大多数的研究工作局限在层流范围内低马赫数气动噪声问题。最近，Inoue和Hatakeyam利用直接数值模拟方法对低马赫数下层流绕流单圆柱产生的气动噪声辐射问题进行了二维数值计算。其结果与用Curle声学类比方法获得的结果比较发现：Curle方法的数值解，包含多普勒效应，不仅精确地描述了声音的产生机制，而且还描述了其传播过程；但他们的结果不能充分描述出气动噪声产生的机制[3]。这部分是因为DNS在评估噪声源的相对贡献上存在内在的困难，因为它不能辨别出单个的噪声源。二、噪声模型介绍2.1直接模拟模型（CAA模型）在这种方法中声音的产生和传播直接通过求解合适的流体动力学方程获得。声波的预测要求控制方程的时间精确解。进一步讲，在大多数直接模型的实际应用中，必须借助于能够模拟粘滞效应和湍流效应的控制方程，例如非稳态N-S方程，雷诺时均方程以及过DES和LES使用的过滤方程。直接模型需要高精度的求解方法，非常细密的计算网格以及声音无反射边界条件，所以计算代价大。当预测远场噪声（几百倍的机翼弦长处得噪声）计算代价更大。当计算近场噪声，直接方法就变的可行，如舱室噪音。对于许多近场噪声的计算中，由于局部压力波动导致的噪声是可以通过fluent准确计算的[4]。2.2噪声比拟模型（FW-H模型）对于中场和近场噪声，fluent采用基于Ligthill的声比拟方法，它是直接模拟的一个很好的补充。在该方法中，近场流场从控制方程中获得，如非稳态的雷诺平均方程，过滤的DES和LES方程，然后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。AnsysFluent采用基于FW-H的方程，FW-H方程采用最通用的lighthill的噪声比拟方法，可以求解单极子、偶极子和四极子产生的噪声传播。AnsysFluent采用时域积分的方法（声压、噪声信号与时间相关），通过面积分计算指定位置的噪声。流场变量，如压力，速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，大涡模拟，或分离涡模型求解获得，可以捕捉精确的流动特征如涡脱落等现象。AnsysFluent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的贡献。Ansysfluent中先进的基于“可穿透面积分”的FW-H模型可以很渐渐307版权所有，专做CFD好解决高、亚速气动噪声问题。AnsysFluent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。声压信号可以快速傅里叶变换得到，结合AnsysFluent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。声比拟模型基于两步法：首先采用CFD方法在噪声源附近精确的计算瞬态流场，其次是从声源处到接收处噪声传播通过求解波动方程获得[4]。2.3宽频噪声模型在许多工程应用中的湍流，噪声没有明显的频段，声波能量连续分布在一个宽频段范围内按频率连续分布，这就涉及到宽频噪声问题。在AnsysFluent的宽频噪声模型中，湍流参数通过雷诺时均方程求出，再用一定的半经验修正模型（如Proudman方程模型、边界层噪声源模型、线性Euler方程源项模型、Lilley方程源项模型）计算表面单元或体积单元的噪声功率。三、电线气动噪声模型分析与计算3.1问题描述如图所示为电线气动噪声的几何模型的示意图，电线地的直径为1.9cm，计算流体区域宽9cm，长38cm。气流以69.2m/s的速度从左端入口流入，由右端出口流出。圆柱为刚性材料。不考虑变形，本次模拟采用LES模型进行模拟计算分析。同时启用噪声模型模拟气动噪声。图3-1电线气动噪声模型的示意图3.2几何建模与网格划分首先在Gambit中对模拟模型进行建模，采用Tri类型网格，划分网格如下：D=1.9cmInletOutlet渐渐307版权所有，专做CFD图3-2模型网格划分图3.3模型计算边界条件：计算模型中采用速度入口Velocityinlet，压力出口Pressureoutlet边界采用对称边界symetry。Fluent的求解设置，打开Fluent16.0选2D求解器，其余保持默认，然后导入划分好的模型网格格式为msh的文件。在General面板中单击Scale，对模型的尺寸进行缩放。在General面板中将Solver中的time设置为Transient（非定常），其余保持默认。选择求解模型LargeEddySimulation（LES）模型：渐渐307版权所有，专做CFD流体介质选择air空气。操作条件OpreationConditions中设置（OperatingPressure）为101325Pa。在边界条件BoundaryConditions中速度进口设置气流速度为62.9m/s,出口为压力出口，压力为0。具体设置如下图所示：在求解方法中SolutionMethods选项中，Pressure-VelocityCoupling的Scheme下拉列表中选择PISO选项，在SpatialDiscretization的Pressure中选择PRESTO！其余保持默认。在渐渐307版权所有，专做CFD求解控制中SolutionControls设置Pressure为0.75其余保持不变。具体如下：在残差监控窗口中设置收敛标准。选择Drag和Lift两个监视数值。运行计算，在RunCalculation选项中，选择迭代次数4000步，进行计算。3.4结果分析与讨论流场计算完成后，选择Results中Plots选项，双击Histogram选项，选择Velocity和CellCourantNumber选项。得到如下图所示：图3-2HistogramofCellCourantNumber曲线从图中可以看出CellCourantNumber集中在1以下。流场计算完成之后，进行噪声计算，选择模型Models中Acoustics-off，选中渐渐307版权所有，专做CFDFfowcs-Williams&Hawkings，在ExportOption中选择ExportAcousticSourceDatainASDFormat选项。然后继续在AcouticsModel对话框中，将FarfieldSoundSpeed修改为340，ReferenceAcousticPressure修改为2e-05，SourceCorrelationLength修改为0.095，如下图所示：计算之后，分别对电线附近的速度云图、压力云图、以及湍流图进行显示。图3-3速度云图渐渐307版权所有，专做CFD图3-4压力云图图3-5湍流程度云图渐渐307版权所有，专做CFD图3-6CellCourantNumber从图中的直方图可以看出，CellCourantNumber集中在1以下。分别对两个不同的采集点进行观察，得到声压曲线如下：图3-7在位置1的声压曲线图渐渐307版权所有，专做CFD图3-8在位置1考察局部的声压曲线图图3-9在位置2的声压曲线图渐渐307版权所有，专做CFD图3-10在位置2考察局部的声压曲线图图3-11在位置1的StruhalNumber曲线渐渐307版权所有，专做CFD图3-12在位置2的StruhalNumber曲线