九十六、Fluent圆柱外气动噪声模拟详解

1.1 气动噪声简介

1.2 气动噪声的产生机制

气动噪声通常来源于以下物理现象：

湍流和涡流：高速气流中的湍流和涡流产生压力波，从而引发噪声。例如，高速风通过障碍物（如飞机翼尖）时产生的涡流噪声。

固体表面与流体的相互作用：气流与固体表面碰撞或摩擦导致的压力波传播。例如，高速列车表面因流体剪切产生的噪声。

气体压缩与膨胀：在喷流、爆炸、冲击波等场景中，气体快速压缩或膨胀引起压力变化，从而辐射噪声。例如，火箭发射时喷嘴的高速气流噪声。

1.3 气动噪声的典型来源

交通工具：飞机（喷气发动机、翼面涡流）。高速列车（表面气流分离）。汽车（后视镜和车顶气流分离）。

工业设备：风机、压缩机、涡轮机的涡流噪声。通风系统中的管道湍流噪声。

自然界：风吹过建筑物或树木引起的呼啸声。风暴中湍流和紊流的噪声。

注：本案例使用ANSYS 2023R2进行模拟

空间中有一个圆柱体，空气来流速度为69.2m/s，掠过这个圆柱体后，会产生噪声。

3.1 导入网格：

使用Fluent软件打开Chapter96.msh网格文件，文件在本文末尾链接资源内。注意，本案例为2D模型，打开Fluent软件时需勾选2D

选择网格文件时要注意，由于本案例网格文件为msh格式，文件类型需要选择.msh，才能看到网格文件

导入mesh文件后，点击Display，将显示模型

3.2 修改模型尺寸

本案例原模型尺寸以m为单位，需要缩放100倍变为以cm为单位。

打开Scale mesh，勾选Specify Scaling Factors，在Scaling Factors中的X、Y都设置为0.01，表示模型缩放100倍。单击Scale后，模型缩放。

参考文章：Fluent 模型缩放Scale Mesh设置

3.3 求解器设置

4.1 能量方程

能量方程不打开，不涉及传热

4.2 湍流模型设置

使用二维的大涡模拟。

LES大涡模型在三维模型可以在Fluent湍流模型界面打开，但是二维模型时，需要输入文本命令才能打开LES模型。

文本命令：(rpsetvar 'les-2d? #t)

为什么要使用LES模型：

因为圆柱外的气动噪声主要来源于涡脱落、流体的不稳定性和 湍流剪切层。LES专注于解析大尺度涡，即与气动噪声密切相关的主要能量涡结构。因此LES 是圆柱外气动噪声模拟的主流选择。

如果计算资源不足或几何复杂，也可以 DES 或 SAS模型，其计算量比 LES 小一些。

RANS 是时间平均的湍流模型，无法直接捕捉瞬态涡的动态行为，不适合高精度气动噪声模拟，但可以用来分析稳态特征或噪声源位置，准确性较低

RANS 模型即我们常说的1方程，2方程，3方程等，包含经常使用的k-e模型和k-w模型

提示让我们更改瞬态格式，直接点击OK，后面进行更改。当然也可以直接在Solution Methods界面 更改成二阶格式

4.3 设置air材料属性

材料为air，属性保持默认即可

设置操作压力为101325

6.1 inlet边界设置

inlet设置为速度入口边界条件，双击inlet，弹出如下界面，输入速度为69.2m/s

Fluctuating Velocity选项在如SAS、DES和LES模型才会出现，在入口边界条件中添加波动速度是为了生成更真实的湍流流场。

No Perturbations：不添加任何速度波动，即入口速度是确定性的，无随机扰动。本文选中无波动

Spectral Synthesizer：Fluent 中一种生成入口湍流波动速度的方法。其参数设置和湍流边界条件相似。

6.2 outlet设置

设置为压力出口边界条件，Gauge Pressure设置为0

6.3 wall设置

cylinder设置为wall，保持默认即可

6.4 symmetry设置

symm_bottom和symm_top设置为对称边界条件

7.1 求解方法

Solution-Solution Methods

Pressure-Velocity Coupling格式设置为PISO

Pressure格式设置为PRESTO！

Transient Formulation选中二阶隐式格式Second Order Implicit

7.2 求解控制

Solution-Solution Controls

保持默认即可

7.3 监测物理量

监测圆柱的升力。

Solution → Defnitions → New → Force Report → Lift...

双击Reports Definitions，弹出下图窗口

Name：输入cl-1

Report Output Type：选择Lift Force

Force Vector：x输入 0；y输入1

Zones：选择cylinder

勾选Report File：表示将数据写入文件。在cas文件夹下会创建一个文件

勾选Report Plot：表示在窗口画实时曲线图

Print to Console：表示在文本界面输出阻力值

完成上述设置后，会在Monitors树下自动生成报告

7.4 参考值设置

回到上面的Reference Values，双击打开参考值设置界面

compute from选择inlet，说明参考值选取自inlet数据

Length设置为0.02m

标准初始化，详细操作可参考文章：

点击Initialize，进行标准初始化

Number of Iterations设置为4000，Time Step Size设置为5e-6s。单击 Calculate

10.1 升力曲线

10.2 圆柱绕流速度云图

10.3子网格湍流粘度云图

Subgrid Turbulent Viscosity 是大涡模拟中一个湍流模型参数，用于描述网格尺度以下湍流对流体动力学行为的影响。

子网格湍流粘度可以被看作对未解析的“小涡”影响的补偿，就像大海中的小波浪虽然看不清，但它们对船的稳定性还是有影响，子网格湍流粘度正是量化这些影响的“工具”。

11.1 声学模型设置

返回到Models处，双击打开声学模型Acoustics

打开声学模型界面

选中Ffowcs Williams & Hawkings (FW-H)，是声学模型的一种。下面详细介绍声学模型。

勾选Export Acoustic Source Datain ASD Format：表示将声学源数据导出为ASD格式，这表示Fluent会写asd格式的文件。

Source Corelation Length：源相关长度输入0.5，它描述了声源区域的“大小”或“延伸”程度，尤其是与湍流或气动噪声源相关的部分。设置为0.5m，也就是我们认为这个圆柱绕流的噪声源影响范围大概是0.5m。模型整个范围也差不多是这个长度。

单击 Define Sources 按钮,弹出 Acoustics Sources(声源)对话框。

Source Zones：选择cylinder，表示声源区域是cylinder

Source Data Root File Name：输入cylinder，给出源数据文件的名称（例如，acoustic_example.xxx.asd，其中xxxx是瞬态的全局时间步长索引）和将存储与源数据相关信息的索引文件（例如acoustic.example.index）

WriteFrequency：输入2，数据的写入频率，设置为2，表示每两个时间步写入一次数据

Number ofTime Steps per File ：200，源数据可以写入多个文件，设置为200，表示每个文件包含200个时间步的源数据。

单击 Apply 按钮，会在cas文件夹中写入两个文件

11.2 两种声学模型介绍

FW-H模型：适用于更复杂的噪声源建模，特别是涉及到流动、湍流、物体表面等因素产生的噪声，适合需要精确模拟噪声来源的高频噪声问题。

可处理的噪声源：

• 物体表面的声学源（例如飞机、汽车、涡轮机叶片的噪声）

• 湍流与物体表面之间的相互作用产生的声波

• 声音的辐射及其传播到外部的过程

• 广泛应用于需要考虑物体运动、边界层效应以及湍流与固体表面相互作用的声学环境，如航空航天、汽车工业、机械噪声分析等。

如果你关心的是物体表面或湍流等因素产生的噪声，FW-H模型更适合

Wave Equation模型：适用于简化的声学传播问题，通常用于描述声波在特定介质（如空气、水等）中传播的行为，特别适用于波动传播的基本问题。适用于低频和远距离的传播问题。

如果只关心声波的传播而忽略具体的噪声源特性，Wave Equation模型则更简单。

基本波动方程：声波的传播遵循波动方程，通常通过对压力、速度场或声强度场进行求解来得到声波的传播和辐射情况。

其中，p是声压，c是声速

这里总结一下两种声学模型的区别，供大家参考

回到计算设置界面，Number of Iterations设置为4000，Time Step Size设置为5e-6s。单击 Calculate ，开始计算

13.1 声压图

单击 Acoustic Signals 按钮，弹出 Acoustic Signals界面

单击 Receivers 按钮，打开Acoustic Receivers 对话框，设置声学接收点。定义每个接收点的坐标。接收点是用于记录声波传播到达某一位置的强度、频谱、声压等数据的点。

Fluent中的声学模型主要用于预测远场噪声，接收点位置应距离声源一定距离，甚至可以是可以放置在计算域外。

在Number of Receivers 中输入2，表示设置两个接收点。

在receiver-1的Y-Cood.中输入-0.00665，在receiver-2的Y-Cood.中输入-0.02432。表示接收点的位置

返回 Acoustic Signals界面，在ActiveSource Zones中选择 cylinder,在 SourceData files 中选择所有数据，在 Receivers中选择两个接收点，单击Compute/Write 按钮。

单击Compute/Write 按钮后，会生成两个ard文件

单击信息树中的 Plots 项，双击Data Sources，弹出Plot Data Sources。

点击Load Files，选择刚才生成两个ard文件

弹出Select File对话框，选择 receiver-1.ard 和receiver-2.ard，单击 OK 按钮确认

点击plot，显示声压图

声压图

13.2 声压频谱图

在 Plots面板中双击 FFT，弹出Fourier Transform对话框。

在 Process Options 中选择 Process Receiver 单选按钮，在Y Axis Function 中选择 SoundPressure Level (dB)，在XAxis Function 中选择Frequency(Hz)

单击Plot FFT按钮，显示位置1的声压频谱图。

同样的操作，可以显示位置2的声压频谱图

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提取码：8s6d