starccm+噪声模拟功能

StarStar--ccmccm++噪声模拟功能噪声模拟功能所属：CDAJ-China1目录引言STAR-CCM+噪音分析方法宽频噪音源模型FW-H模型噪音分析案例2前言声音的定义声音是指在空气中传播的压力脉动。这种压力脉动是沿着声音传播方向空气分子的往复运动产生的，因此声波属于纵波。在声音传播过程中，空气的静压从无声状态下的P0变为P0+△p，这里△p称为声压。前言声音的传播压缩的部分(声压)开始传播♪最终压缩的部分(声压)到达耳中，引起鼓膜的振动，从而听到声音空气分子(无声状态)随着声音的产生，空气分子开始压缩密密密疏疏前言流体噪音所谓流体噪音是指流体流过物理周围产生的声音。与物体振动产生的声音(如鼓、吉它之类的乐器)不同。举例：如飞机的喷射式发动机产生的喷射声;大风天气窗外的“呼呼”声也是一例.流体噪音的声源是流体的运动，因此流体噪音是指从声源发出的压力脉动在空气中传播直到人耳的现象。喷气式飞机产生的噪声前言流体噪声的噪声源Lighthill首次提出了流体噪音的发生原理，以下是Lighthill方程式．Lighthill方程是从流体的运动方程和连续性方程中经过严密推导得到的密度变化的传播iijijiFxvvxxct222来自湍流涡变化的声源(四极子)来自物体表面压力变化的声源(偶极子)此处，c:音速[m/s]，ρ:密度[kg/m3]，v=(vi,vj,vk):流速[m/s]，F=(Fi,Fj,Fk):外力[N/m2]前言偶极子声源四极子声源射流中的湍流物体表面(此处及圆柱表面)的压力变动流体噪声的噪声源偶极子声源来自物体表面的压力变化。圆柱绕流中卡门涡阶产生的圆柱表面压力变化产生的噪声源就是典型的偶极子噪声源。(左下图)四极子声源来自湍流中涡的变化。射流产生的流体噪声就是典型的四极噪声源。（右下图）前言偶极子声源声压等值线图偶极子声源偶极子声源偶极子声源是指左右振动的声源，左右振动的点声源存在于左右两点，空气在两点之间反复地吸入，吹出。偶极子声源产生的流体噪声是由壁面的压力变化引起的。这种压力变化不是由壁面振动引起的（实际上壁面并不发生振动而是保持静止），而是流体的运动作用于壁面的力的反作用力引起的。与单声源相比，偶极子声源是存在指向性的，即沿着两个点声源的连线方向声音传播更加强烈。物体表面(此处及圆柱表面)的压力变动前言四极子声源声压等值线图※箭头指示气流的流动方向吸入吸入吹出吹出四极子声源射流湍流四极子声源四极子声源是指流场中形成的涡从相对的方向吸入或吹出空气形成的4点声源共存的声源。与偶极子声源相似，四极子声源也存在指向性。前言空气挤出空气吸入※箭头表示流动的方向单极声源的声压等值线图单极声源空气的吸入和挤出周期性的进行，声音沿球状面传播，无指向性，只存在单点声源。单极声源流体噪音的典型例子有：拍手瞬间空气吹出形成的噪音。流量随时间变化的情形也与之类似，有代表性的是空气通过高速旋转的直升机螺旋桨叶片时，流体流量的变化是噪声产生的来源。10STAR-CCM+流体噪音分析方法Method1：定常解析※宽带噪声源模型※从定常RANS方程解吸预测声源※估计网格密度对噪声频率的捕捉情况Method2：非定常解析※流场（压力场）振动预测※直接解法Method4：在噪声分析软件中计算噪声传播Method3：FW-H方法求解噪声向远场的传播※分離解法11STAR-CCM+流体噪音分析方法模型名称解析类型可否STAR-CDSTAR-CCM+Curle定常/非定常×○Goldstein定常/非定常×○Lilley定常△○LEE定常×○Proudman定常/非定常×○MeshFreq.Cut-off-×○LES非定常○○DES非定常○○噪声分析软件Export偶极子声源非定常○○四极子声源非定常○×FW-H非定常×○12Method1：定常解析（流体噪声源预测）从定常解析预测流体噪声源宽带噪声源模型（BroadbandNoiseSourceModels）基于RANS模型将湍流参数与流体噪声源强度进行关联得到的模型可以预测剪切流，或者叫射流的偶极子和四极子噪声源大尺度涡产生的噪声无法预测SynthesizedFluctuationsSNGR基于RANS模型得到的湍动能和特征长度合成压力脉动和速度脉动，进而基于湍动能频谱与波数分解之间的假设。压力脉动和速度脉动可以直接输出给噪声分析软件计算噪声传播。MeshFrequencyCut-off估计非定常计算中当前网格能够捕捉的噪声频率，从而指导如何进行网格加密从非定常解析直接求解流体噪声的方法：直接解法・将动量守恒方程、质量守恒方程和密度压缩方程连立求解，同时计算声源产生和声音传播的方法．有点解析精度高(从声音向流动的反馈效果也可以考虑)缺点・需要非常高的网格解析度，计算量非常大．直接解法对圆柱周围流动噪声的解析(上图：速度云图下图：压力云图)Method2：非定常解析噪声直接求解14Method3：噪声分析软件计算声音传播从非定常流动分析结果中得到固体表面的时变压力（偶极子声源），再将这些数据导入噪声分析软件（如Virtual.LabAcoustics，ACTRAN），进行频域响应分析，属于一种分离求解方法。可以考虑壁面对声音的反射，从而考虑形状对声音的传播的影响。声音的反射15Method4：FW-H远场噪声传播预测流动计算和声音计算分开求解的噪声模型；由于将流动和声音传播分开计算，该方法与直接解法相比解析精度要低一些，仅限于声源附近区域的噪声计算，因此需要的计算资源比较少；基于外部流（往自由空间放射性传播）假设，不考虑声音的反射、折射；分离解法的声音传输方程是来自Lighthill方程的特殊形式Ffowcs-WilliamsandHawkings(FW-H)方程式；可考虑单极、偶极子、四极子（仅限于指定流体空间内部面为噪声源的场合）噪声源；要求声源物体的尺寸比声波波长小；为了比较精确解析作为噪声源的流动涡的变化，湍流模型一般不采用RANS模型，而采用LES、DES这些空间平均模型。16Method4：FW-H远场噪声传播预测分离解法(FW-H)所需网格精度直接解法所需网格精度分离解法(FW-H)使用的网格只需在噪声源附近加密即可，而直接解法因为要求解声音的传播，整个空间都需要很密，因此计算量显著增大．Receiver位置Receiver位置17開始定常RANS計算広域帯騒音モデルを適用騒音源の場所を特定MeshFrequencyCutoffメッシュ密度は十分か？メッシュをリファイン非定常（LES/DES）計算NY2重極音源を音響解析ツールへ輸出音響解析を実施終了STAR-CCM+噪声分析推荐流程orFW-H18宽频噪声源模型基于RANS方程得到的湍流参数(湍流时间尺度及特征长度)，利用与Lighthill相似的理论来计算噪声源；由于采用RANS方程进行求解，因此计算量较小可以预测气动噪声发生的位置和强度STAR-CCM+中可以使用的宽频噪声源模型有以下几种Curle噪声源模型Goldstein轴对称噪声源模型Lilley噪声源模型LEE（LinearizedEulerEquation）噪声源模型Proudman噪声源模型19Curle噪声源模型可用来预测低马赫数流动中边界层内的偶极子噪声物体表面的压力变化-流体动量变化-噪声源可用于定常解析和非定常解析凡是可以得到湍流时间尺度和特征长度参数的湍流模型都支持不支持Spalart-Allmaras模型绕流圆柱表面声强分布20Curle噪声源模型（cont.）Curle公式：单位面积附近的声强：根据湍流时间尺度、特征长度和壁面剪切力计算得到21Curle噪声源模型（cont.）后视镜绕流表面声强分布22Goldstein轴对称噪声源模型基于Lighthill理论来预测轴对称剪切湍流中的噪声；假设这种湍流具有局部均质和各向异性特性仅适用于二维轴对称模型；可用于定常解析和非定常解析凡是可以得到湍流时间尺度和特征长度参数的湍流模型都支持不支持Spalart-Allmaras模型23Goldstein轴对称噪声源模型（cont.）自发噪声（selfnoise）強度轴对称射流中单位体积产生的声强为：单位体积内声强剪切噪声（shearnoise）強度24Goldstein轴对称噪声源模型（cont.）速度云图声强分布云图25Lilley噪声源模型该模型是由可压缩流体连续性方程、动量方程推导而来的3阶精度波动方程构成，可求解以下三种噪声源：Lilley自发噪声源（SelfNoiseSource）Lilley剪切噪声源（ShearNoiseSource）Lilley总噪声源可用于剪切流动占主导的流场（如障碍物绕流或内流分析）的四极子噪声源位置和强度预测不考虑焓值变化（换热/燃烧）和粘性效果仅适用于定常解析凡是可以得到湍流时间尺度和特征长度参数的湍流模型都支持不支持Spalart-Allmaras模型26Lilley噪声源模型（cont.）Lilley噪声源计算方法RANS计算结束后，执行一步即可27Lilley噪声源模型（cont.）Lilley方程式：不考虑焓值变化（换热/燃烧）和粘性效果28Lilley噪声源模型（cont.）Lilley噪声源：A：时均速度梯度产生的噪声源B：自发噪声源（来自湍流脉动速度）C：剪切噪声源（时均速度与脉动速度的相互作用）※时均速度通过RANS方法计算，湍流脉动速度通过SyntheticTurbulenceMethod得到29SyntheticTurbulence（SNGR:StochasticNoiseGenerationandRadiation）湍流脉动速度：n为傅立叶变换级数：能力频谱：30Lilley噪声源模型（cont.）31LEE（LinearizedEulerEquation）噪声源模型基于非线性欧拉方程线性化得到的噪声源模型（LEE：LinearizedEulerEquation），可以预测以下四极子噪声源：自发噪声源（SelfNoiseSource）剪切噪声源（ShearNoiseSource）仅适用于定常解析凡是可以得到湍流时间尺度和特征长度参数的湍流模型都支持不支持Spalart-Allmaras模型32LEE（LinearizedEulerEquation）噪声源模型（cont.）LEE噪声源计算方法RANS计算结束后，执行一步即可33LEE（LinearizedEulerEquation）噪声源模型（cont.）线性化欧拉方程方程：速度に対する式変形：自发噪声有剪切噪声源※时均速度通过RANS方法计算，湍流脉动速度通过SyntheticTurbulenceMethod得到34LEE（LinearizedEulerEquation）噪声源模型（cont.）35Proudman噪声源模型基于各向同性湍流流场假设，可预测四极子噪声源：定常解析，非定常解析で利用可能可用于定常解析和非定常解析凡是可以得到湍流时间尺度和特征长度参数的湍流模型都支持不支持Spalart-Allmaras模型36Proudman噪声源模型（cont.）单位体积声强：湍流特征长度和特征时间37Proudman噪声源模型（cont.）38噪音分析案例定常解析案例圆柱绕流非定常解析案例圆柱绕流（FW-H）39圆柱绕流解析対象円筒（直径20mm）40圆柱绕流（cont.）解析メッシュ41圆柱绕流（cont.）定常解析結果（速度ベクトル）42圆柱绕流（cont.）広域帯騒音源解析結果（Curle騒音源モデル：円筒面上の2重極音源分布）43圆柱绕流（cont.）広域帯騒音源解析結果（Proudman騒音源モデル：4重極音源分布）44圆柱绕流（cont.）広域帯騒音源解析結果（Pro