1、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
2、 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
3、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
4、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
5、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， Ffowcs Williams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
6、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
7、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
8、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
9、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
10、 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。 Ansys Fluent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。 Ansys Fluent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。 Ansys Fluent中的噪声积分源面不仅可以
11、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。 Ansys fluent 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。 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 。声压信号可以快速傅里叶变换得到，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。 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
12、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 Ansys Fluent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 69.2
13、m/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=1.9cm Inlet Outlet 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 Velocity inlet，压力出口 Pressure outlet边界采用对称边界 symetry。 Fluent的求解设置，打开 F
14、luent16.0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 Large Eddy Simulation（ 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 Opreation Conditions中设置（ Operating Pressure）为101325Pa。在边界条件 Boundary Conditions中速
15、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 Solution Methods选项中， Pressure-Velocity Coupling的 Scheme下拉列表中选择 PISO选项，在 Spatial Discretization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 Solution Controls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 Run Ca
16、lculation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 Cell Courant Number选项。得到如下图所示： 图 3-2 Histogram of Cell Courant Number曲线 从图中可以看出 Cell Courant Number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 CFD Ffowcs-Williams&Hawkings，
17、在 Export Option中选择 Export Acoustic Source Data in ASD Format选项。 然 后继续在 Acoutics Model对话框中，将 Far field Sound Speed 修改为 340， Reference Acoustic Pressure 修改为 2e-05， Source Correlation Length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 30
18、7版权 所有 ， 专做 CFD 图 3-6 Cell Courant Number 从图中的 直方图可以看出， Cell Courant Number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 Struhal Number曲线 渐渐 307版权 所有 ， 专做 CFD 图 3-12在 位置 2的
19、Struhal Number曲线 四、总结与思考 通过 对于电线的 气动 噪声 进行了 模拟，熟悉了 噪声 模型的种类， 以及噪声 模型的使用范围，相关的噪声计算参数的设置，对于 现实 的实际问题有了更加深刻的 理解。 通过 对电线 绕流的气动噪声数值模拟，验证了该方法可以准确地模拟层流和湍流近场的声场分布，且该方法可以和计算流场精度较高的亚格子湍流模型相结合，更准确地计算近场气动噪声的产生机理和传播过程。 对于后期 的模型可以进一步的优化， 以 确保能够 更加 准确的接近真实 模拟 体系， 更加 有助于解决实际的问题。渐渐 307版权 所有 ， 专做 CFD 五 、参考文献 1马大猷 .现代声学理论基础 .科学出版社， 2005. 2倪大明，张文平，明平剑 . 低速湍流中气动噪声预测方法 J,2013. 3杨南奇 ,串列双圆柱绕流噪声数值模拟与实验研究 ,学位论文， 2009. 4朱 红均， Fluent流场分析与实战指南 M,人民 邮电出版社，北京 2014.
