CFD++-CAA++气动噪声解决方案

1CFD++/CAA++地面交通工具气动噪声解决方案张杰刘鹏飞郑敏杰北京银景科技有限公司2009年11月2目录一、地面交通工具气动分析软件需求………………………………………..…………………..1二、北京银景科技地面交通工具气动噪声分析解决方案………………………………………1三、CFD++/CAA++软件介绍…………………………………………………………………….1四、CFD++/CAA++地面交通工具气动噪声分析典型应用…………………………...………..5五、总结……………………………………………………………………………………………71一、地面交通工具气动噪声分析软件需求随着地面交通工具的速度越来越快，由于交通工具的运动产生的气动噪声也越来越大。这种情况下，无论从交通工具的乘坐舒适性还是其对周围居民和建筑物的影响角度来讲，气动噪声的控制问题都变得十分关键。气动噪声的实验分析作为气动噪声分析最的直接手段，一直以来被广泛采用。但是由于其对实验设备要求较高，从而运行成本较高，其大规模应用受到一定的限制。同时，通过实验一般只能得到整体噪声水平的一个评估，对噪声的机理及相关的减噪设计，难以给出确切的结果和设计建议。通过计算流体力学（CFD）的方法对噪声进行分析，由于其从流动和流场入手，从而可以方便的分析噪声源，对噪声控制和减噪设计给出有意义的分析结果。但是，目前气动噪声的数值模拟也遇到了一定的困难。普遍认为，LES方法是求解决气动噪声比较好的办法。但其只适用于噪声源较强，且观测点离噪声源较近的情况。如果噪声源较弱，或者离观测点离声源较远的情况，LES方法本身的数值耗散仍然可以将真实的噪声信号掩盖，不能给出很好的计算结果。另外，LES需要较精细的网格和较大的计算量，只适合于做理论分析，在现阶段仍然难以应用于工程实践。总之，现阶段地面交通工具需要进行气动噪声分析，同时要求气动噪声的分析手段具有精度较高，计算量不太大，网格质量要求不高，易于使用的特点。这些都给气动噪声模拟软件提出了很高的要求。二、北京银景科技地面交通工具气动噪声分析解决方案根据目前地面交通工具气动噪声分析的需求及其面临的问题，北京银景科技有限公司引进了美国Metacomptech公司的气动/气动噪声分析软件CFD++/CAA++作为地面交通工具气动噪声设计分析软件作为解决方案。美国Metacomptech公司的CFD++/CAA++软件，采用了先进的CFD技术，并结合了以首席科学家SukumarChacravathy等众多流体力学专家多年服务于美国工业部门流体分析的丰富经验开发而成。MetacompTechnologies成立于1994年，总部位于美国洛杉矶市。十多年来公司一直走在计算流体力学（CFD）、计算空气声学（CAA）及网格生成行业的最前端。Metacomp凭借强大的研发队伍，自主研发了多个计算流体力学代码，在气动噪声、低速流动的预处理、动网格技术、湍流模型等方面都取得了创新性的成果。其主要产品包括流场计算软件CFD++及其前处理软件MIME、基于CFD++的气动声学工具CAA++。其中CFD++/CAA++凭借精确、快速、可靠的求解获得了欧美工业部门的广泛认可，高端CFD市场占有率高达90％以上。三、CFD++/CAA++软件介绍CFD++基于统一的网格、统一的物理学、统一的计算方法，拥有先进的数值离散方法和求解框架。它有着丰富而稳定的数值和物理模型。3.1CFD++的技术特点和优点CFD++的主要技术特点如下：21）对非结构网格的灵活处理能够应对复杂的拓扑学和物理学问题、多块网格以及多种类型的内部块连接。2）多维插值能够更准确地描述与流动相关变量的变化。该方法对变形的以及相对粗糙的网格有着更高的精度。多维插值框架也能在内部块之间进行无缝工作。3）预处理用来应对低速和不可压缩流动，并延伸到单组分以及多组分流动。在单组分流动中，现在已经能够处理多重速度（低速和高速流共存于相同的问题中）流动。4）隐式松弛方法可避免因子分解错误以及时间步长的限制，这使得结果更稳定，收敛更快，有利于并行计算。5）代数多重网格技术应对隐式格式，尤其是对于稠密网格时能获得更好的收敛加速度。6）模拟非定常流动时应用双重时间步长可提高精度。双重时间步长和其它收敛加速技术相似，例如空间上变更的时间步长。与多重网格、松弛方法联合后，双重时间步长能够在很小的物理时间步长内计算瞬态的周期行为，并可以描述每个周期的振荡。7）边界条件的隐式处理。这是提高健壮性和收敛速度的基础。8）迎风格式的应用，包括可实现的“黎曼求解器”。对于健壮性和精度所需的数值扩散水平，这可以降低其不确定性。迎风格式的应用还能够更直接地推动基于预处理的代码的改进。9）先进的湍流模型和建模方法。10）尽管这些特点中的一些在其它软件包中个别的存在，但这些先进物理建模方法的组合只在CFD++中存在。CFD++的主要优点如下：z最全面、最灵活的几何兼容性；z在各种流速下都可以快速求解(多重网格和多CPU)；z改良后的准确性和稳定性，即使是拉伸的，大尺寸比网格；z各向异性改良后对湍流的描述，针对RANS、LES及混合RANS/LES非线性封闭；z在任意流速下对任意动力装置的finite-rate反应模型；z强大的，友好的图形化界面；z可以软件定制。3.2CFD++的UNIFIED原则CFD++的物理模型丰富，可以有效地求解可压缩流体流动（所有的Ma数范围）和不可压缩流动，以及单组分、多组分流动、化学反应流动、多相流、稳态和瞬态流、旋转机械、耦合传热、多孔介质等等。在湍流中应用1-,2-,以及3-方程拓扑参数自由湍流封闭方法。这些模型的补充可求解雷诺应力的各相异性、流线曲率以及漩涡。以上所有模型都可以“solved-to-the-wall”或者结合壁面函数法来求解可压缩性、压力梯度及传热。单方程的LES模型以及新颖的混合LES/RANS模型也可应用。从不可压缩到高超音速内部/外部流动都能保持较好的健壮性和准确性。计算耦合传热时流体和固体区域的隐式耦合。CFD++具有强大的网格处理能力和网格适应性。由于对结构化、非结构化以及多块网格的统一，CFD++能够很容易地对复杂的几何体进行操作。CFD++也能处理复杂的重叠和修补网格。代码较好的通用性使得用户可在同一个网格体内使用多种单元，如3-D中的六面体、三棱柱、棱锥、四面体，2-D中的四边形、三角形单位，1-D中的线单元。从而使CFD++具有最大程度的拓扑学适应性，对结构/非结构网格，通过内部块边界条件使得精度没有下降，处理滑移和重叠网格也能保证精度和健壮性。3CFD++同时具有强大的软硬件平台支持能力，可以应用到所有的计算机系统上，无论是个人电脑还是大型的多计算机并行以及网络集群计算，并且可在Windows以及各种UNIX操作系统上运行。多CPU工作和单CPU计算一样容易。文件系统也在各种平台下兼容。从而CFD++很容易地进行多CPU运算,很容易地对滑移网格在多CPU平台下进行模拟－对于那些CPU包含滑移边界条件没有限制,并且在多CPU模式下，对结构和非结构网格都能保证健壮性，且在单、多CPU平台下对相同二进制文件的透明使用。3.3CFD++的先进数值方法采用多维高阶TVD插值格式，避免了计算流动区域的数值假扩散。该方法利用多项式来满足多维线性数据。适当的黎曼求解器用来预测组分波速以及确保恰当尺度的最小耗散水平，以便满足有界和恒正的限制。先进的预处理、松弛以及多重网格算法在稳态和瞬态模拟中用来加速收敛。从而基于多维的数据重构为二阶精度。对于任意网格CFD++都能维持各阶精度。CFD++的多维计算结果同样满足健壮性和准确性的要求。CFD++对任何量都不采用一阶处理，默认时，所有输运变量采用二阶空间离散精度。求解波模型时，默认的黎曼求解器（HLLC）会自动满足恒正性以及熵条件。质量、动量和能量方程采用耦合求解。这使得收敛更快，并避免额外的亚松弛。强耦合、隐式松弛以及代数多重网格能使各种流动更容易收敛。通过预处理，不可压缩和低速可压缩流动收敛更加快速。特征值降低了假扩散，从而提高了精度。对所有网格类型和各选项都能保持应有的准确性、健壮性以及有效性。3.4CFD++中的湍流模型CFD++中可以实现诸多物理模型，它们是一方程Rt模型，二方程k-ε模型及三方程k-ε-Rt模型。同时包括LES及LNS（混合RANS/LES）和雷诺应力模型。CFD++的湍流处理具有以下主要特征：1）所有模型都是wall-distance-free因此能适用任意网格以及能进行大型并行计算。2）Rt模型的发展是基于各有限流动条件的渐近连续。3）二、三方程模型加强了时间和速度尺度可靠性（Kolmogorov极限）。4）k-ε模型通过向雷诺应力张量间代数关系添加可靠性条件而强制满足Schwarz不等式和法向应力的非负。5）不同于传统的k-ε模型在流动分离的区域精度较差，CFD++中的所有模型都能对存在负的压力梯度流动和回流进行模拟。6）k-ε和k-ε-Rt模型在预测空气动力学流动时较为优越，以及高速传热。7）立方模型考虑了包括涡内雷诺应力的各向异性和流线曲率，并能预测转捩流。8）LNS方法通过为近壁层建模以及利用LES在质量较好网格区域的优点从而降低了传统大涡模拟的成本。9）所有模型均可使用solve-to-wall模式（网格质量足够好）或在粗糙网格区域结合先进的壁面函数法（这些壁面函数可以考虑可压缩性、传热和压力梯度）；壁面函数可应用在已选的边界条件上，而对于其它边界（网格质量足够好），模型可直接积分求解至壁面。10）CFD++中所有的湍流模型都经过认真设计完成，避开了许多传统问题，例如无界的湍流应力分量以及强烈的近壁源项。没有一个模型会引起健壮性的损失，强制的可靠性约束不仅提高了准确性，而且确保了更快收敛，这有利于提高计算的整体效率。43.5CAA++的技术特点和优点CAA++的NLAS(nonlinearacousticsolver)是一个数值噪声求解器，用以模拟噪声的产生和传播。它以简单的RANS的计算为基础提供湍流的统计平均，在湍流统计平均的基础上，NLAS用一个重构的过程产生噪声源，同时应用高精度低耗散求解器模拟压力扰动波的传播。计算可以在和RANS同一套网格上进行，也可以插值到新的网格上完成。NLAS是一个考虑和亚网格尺度噪声源的低耗散求解器。NLAS方程对RANS方程进行了摄动处理，方程中的物理量分成平均量和脉动量两个部分：带入RANS方程，并进行变换和处理后的结果如下：CAA++具有以下技术特点和优点：1）创新的NLAS(nonlinearacousticsolver)噪声求解器。其在计算网格的要求和计算量上远远小于LES,且计算精度高于LES。2）全频噪声分析。3）包含先进的亚网格噪声源模型。4）通过解析拓展的方法进行远场噪声分析。5）包含完整的噪声分析工具FFT，LIGHTHILL方程，FWH方程。应用CFD++/CAA++来求解地面交通工具的气动噪声过程如下：1）CFD++求解湍流统计平均定常流场，同时输出噪声变量给CAA++;2）CAA++在CFD++的基础上运行非定常NLAS计算，设置必要的压力监控或者噪声源面；3）应用CAA++工具FFT、FWH等进行噪声结果分析处理。具体如图1所示意。5图1.CFD++/CAA++气动噪声求解流程示意四、CFD++/CAA++地面交通工具气动噪声分析典型应用下面给出应用CFD++/CAA++进行地面交通工具气动噪声的典型算例及其结果分析。4.1轿车后视镜噪声分析通过对简化的轿车后视镜绕流噪声的分析计算，得到给定的压力探测点位置的噪声水平。图2给出了轿车后视镜模型示意及其探测点位置的示意图。图3给出压力探针位置的噪声水平的计算和实验的比较。图4给出计算结果的涡量云图，可以看到小涡结构被很好的捕捉，从而可以对全频段噪声给出很好的模拟。图2.轿车后视镜简化模型及噪声测点位置图3.压力探针位置的噪声水平计算和实验的比较6图4.流场计算结果的涡量云图4.2轿车风挡气动