案例｜FW-H实时噪声

本文摘要（由AI生成）：

本文介绍了使用STAR CCM中的DES模型和FW-H模型模拟圆柱绕流实时噪声的方法。首先，打开初始文件并选择物理模型，取消Auto-select recommended models并重新选择模型。然后，设置求解参数，选择合理的时间步长，并设置求解器参数。接着，设置声学模拟，包括设置FW-H分析、FW-H面、FW-H接收器、FW-H求解器参数等。最后，求解计算并得到计算结果，包括升阻力系数随时间变化曲线、三个监测点上的最大压力随时间变化曲线、切面上的平均速度等。

本案例利用STAR CCM 中的DES模型及FW-H模型模拟圆柱绕流实时噪声。

 

注：本案例为STAR CCM 随机案例。

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1 打开初始文件

• 启动STAR CCM ，加载初始文件BroadbandModelsNoiseFromACylinderPreparation2RefiningVolMesh_final.sim，另存仿真文件为cylinderUnsteady.sim

2 选择物理模型

• 选择物理模型

• 取消以下物理模型

• Proudman
• Noise Source Models
• Curle
• Broadband Noise Sources
• Aeroacoustics
• All y  Wall Treatment
• All y  Wall Treatment
• SST (Menter) K-Omega
• K-Omega Turbulence
• Reynolds-Averaged Navier-Stokes
• Turbulent
• Steady

取消选项Auto-select recommended models，并重新选择以下模型：

• Implicit Unsteady
• Turbulent
• Detached Eddy Simulation
• SST（Menter）K-Omega Detached Eddy
• All y  Wall Treatment

选择完毕的模型对话框如下图所示。

• 如图所示，选中模型树节点Segregated Flow ，指定属性参数Convection 为Hybrid

• 选中模型树节点SST（Menter）K-Omega Detached Eddy ，设置参数Formulation Option 为DDES

3 设置求解参数

在设置声学模拟时，需要选择合理的时间步长。

通常要评估以下条件并选择最小值：

• 对流库朗数：隐式解算器通常在局部10-100范围内的最大值处稳定，但总体平均值应在1左右。在本案例中，2.5E-5s的时间步长能得到一个平均值约为1的对流Courant数。
• 最大解析频率：例如要在3000 Hz的波中获得10个点（在人类听力最敏感的点周围），时间步长应为10 x 3000 Hz=30000 Hz，或3.33E-5 s。
• 局部 Strouhal 脱落：在本案例采用的雷诺数为 63800，圆柱体在Strouhal数大约为 0.22 时涡脱落。此数字对应脱落频率 500 Hz。捕捉此脱落频率需要的时间步大小为 2.0E-4 s。

最小时间步长可取对流库朗数标准要求的大小 2.5E-5 s。

• 点击模型树节点Solvers > Implicit Unsteady ，设置时间步长为2.5e-5 s ，设置Temporal-Discretization 为2nd-order

• Solvers > Segregated Flow > Velocity设置亚松弛因子为0.9
• Segregated Flow > Pressure设置亚松弛因子为0.7
• 设置Maximum Physical Time 为0.0533 s

• 取消激活选项Maximum Steps
• 选中Monitors节点下的子节点 Drag Coefficient Monitor 及Lift Coefficient Monitor ，设置Trigger为Time Step ，如下图所示

4 显示平均速度

• 右键选择模型树节点Monitors ，点击右键菜单New Monitor > Field Mean

• 选择模型树节点Field Mean 1 ，指定其参数Parts为Body 1 ，指定Field Function 为Velocity Magnitude ，如下图所示

• 选中节点Field Mean 1 > Time-Step Frequency ，指定参数Start为800

• 拷贝并粘贴模型树节点Scenes > Velocity，重新命名节点为 Mean Velocity Magnitude，指定Scalar Field为Mean of Velocity:Magnitude

5 监测压力

• 右键选择模型树节点Derived Parts ，点击弹出菜单项New Part > Probe > Point ，创建3个监测点

创建完毕后的三个点位置如下图所示。

• 鼠标右键选择模型树节点Reports ，点击弹出菜单项New Report → User → Maximum 创建监测报告Pressure-back

• 相同方式创建另外两个压力监测点，命名为Probe-top与Probe-bottom，主要修改监测点位置
• 同时选中三个压力监测报告，点击右键菜单Create Monitor and Plot from Report

• 弹出对话框中选择Single Plot

• 修改节点Plots > Reports Plot名称为Pressure Probes Plot

6 监测力系数

• 选中模型树节点Plots > Force Coefficient Plot ，设置参数X-Axis Monitor为Physical Time

7 保存瞬态数据

• 选择菜单File > Auto Export… 打开文件输出对话框

设置完毕后的对话框如下图所示。

 

注：Auto Export功能还可以用于导出数据在第三方气动声学软件中使用。若有此需要，请选择文件格式为CD-adapco CCM File (*.ccm) ，因为很多第三方软件（如Actran、VA One 和 Virtual.Lab.Acoustics）可以直接读取 .ccm 格式。对于体积数据，使用Region属性选择适当区域；对于表面数据，可根据以上所示方式选择适当边界或衍生零部件。

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8 设置FW-H分析

• 右键选择模型树节点 Continua > Physics 1 ，点击弹出菜单项Select Models…，添加以下物理模型
• Aeroacoustics
• Ffowcs Williams-Hawkings Unsteady
• On-The-Fly FW-H

选择完毕后的对话框如下图所示。

• 选中模型树节点FW-H Receivers ，如下图所示设置参数

9 设置FW-H面

• 右键选择模型树节点FW-H Surfaces ，点击弹出菜单项New > Impermeable Surface

• 设置Boundaries 为Body 1:Cylinderwall ，如下图所示

10 设置FW-H 接收器

• 右键选择模型树节点FW-H Receivers，点击右键菜单项New Point Receiver 创建节点OTF_FWH_Plus90deg100r

• 如下图所示设置节点OTF_FWH_Plus90deg100r属性

• 相同方式创建节点OTF_FWH_Minus90deg100r，设置节点属性如下图所示

11 设置FW-H求解器参数

• 选择节点FW-H Unsteady Solver ，指定Start Time 为0.015 s

此参数用于定义点接收器开始计算声压时的物理时间

12 求解计算

• 点击菜单Solution → Run 开始计算

13 计算结果

• 升阻力系数随时间变化曲线

• 三个监测点上的最大压力随时间变化曲线

• 切面上的平均速度

14 进行谱分析

• 右键选择模型树节点Tools > Data Set Functions，点击弹出菜单项New > Point Time Fourier Transform (G(p))

• 选中节点G(p) 1 ，如下图所示设置参数

• 鼠标右键选择模型树节点G(p) 1 > Monitor，点击弹出菜单项New derived data from monitor创建节点 derived monitor-back

• 点击节点derived monitor-back，如下图所示选择Input Data 1 为Pressure-back Monitor

• 相同方式创建节点derived monitor-bottom，选择Input Data 1 为Pressure-bottom Monitor
• 相同方式创建节点derived monitor-top，选择Input Data 1 为Pressure-top Monitor
• 同时选择前面创建的三个节点，激活选项Update Active，如下图所示

• 将 G(p) 1 节点重新命名为 FFT-SPL
• 鼠标右键选择模型树节点Plots ，点击弹出菜单项New Plot > Monitor Plot 创建新节点Monitor Plot - SPL

• 右键选择模型树节点 Plots > Monitor Plot - SPL > Data Series，点击弹出菜单项Add Data

• 弹出的对话框中选择Derived Data下的三个节点，如下图所示

• 选中模型树节点Bottom Axis ，如下图所示设置参数

得到的声压级数据如下图所示。

从图中看出，顶部与底部的声压级在540 Hz左右存在峰值，后部声压级在1000 Hz左右存在峰值。

（完毕）