MSC气动噪声全流程解决方案

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前言

噪声源主要有两种构成，振动噪声源和气动噪声源。顾名思义，振动噪声是由结构振动辐射出来的噪声，气动噪声是由流体流动中的湍流引起并传播出来的噪声。在很多应用场景中，了解并掌握气动噪声如何产生以及如何传播对产品的设计有很大意义。比如，下图中汽车风噪声，汽车在高速行驶时后视镜和侧窗区域形成的风噪会传入车内；风机在旋转做功时会切割空气并产生涡流，形成周期性较强的离散噪声和宽频带的涡流噪声；空调管道内流速过快时产生的湍流噪声等。

关于气动噪声的定义和解释，可以追溯到 1976 年 M.E. Goldstein的定义："Aeroacoustics is concerned with sound generated by aerodynamic forces or motions originating in a flow rather than by the externally applied forces or motions of classical acoustics. Thus, the sounds generated by vibrating violin strings and loudspeakers fall into the category of classical acoustics, whereas sounds generated by the unsteady aerodynamic forces on propellers or by turbulent flows fall into the domain of aeroacoustics."

关于气动噪声的理论发展历程，笔者调研了部分文献如下，可以帮助大家了解其起源及发展过程：

-在流体力学方面，法国工程师 Navier 和英国剑桥大学教授 Stockes 分别于 1827 年和1845 年推导出流体运动方程(即 N---S 方程)

-1952 年，Lighthill 声类比方程，气流声学诞生，自由空间，四极子理论

-推导出湍流导致的四极子源的声功率与马赫数的 8 次方成正比，标志着现代气动-声学的诞生。

-1955 年，Curl 理论，静止边界影响，四极子+偶极子

-1960 年，Philips 方程，高超音速流问题

-1964 年，Powell 涡声理论，低马赫数，数值计算可能性

-1969 年，FW-H 方程，气动噪声传播方法

-1974 年，Goldstein 格林函数法，广义的 Lighthill 方程，运动物体发声问题

-1975 年，Howe 用流体涡量和所发生的声场有关声微粒速度来描述流场与声场相互作用，并借助 1964 年 Powell 提出的理论，从而形成 Powell-Howe 涡声理论。

同样在文献和资料中可以获得在实际的工程应用中，各国专家首先应用风洞实验解决实际工程中的气动噪声问题：

-1972 年，德国学者对 15 种不同汽车测试，车速 87Km/h 时，车内噪声 62-78dB(A);

136.6Km/h 时，车内噪声 72-87dB(A);

-1978 年，Watanabe 等，车辆外形影响，诱发气动噪声的脉动压力和涡流流动密切相关

-1986 年，A.Lorea 等，车内气动噪声，背景噪声分离，噪声贡献最大区域

-1990 年，美国学者 A.R.George 阐述气动噪声产生机理，空气脉动压力

90 年代初，各国开始采用计算气动声学（CAA）数值仿真解决实际工程问题：

-90 年代初，日本马自达，车内压力脉动对车内车外声场的影响，A 柱前侧窗处

-1994 年，李世岩，边界元，车内声场，中高频误差较大

-1999 年，F.Han，能量流分析方法，处于湍流边界层及分离再附着流场中的薄板，受脉动压力激励后结构振动相应和辐射声能

-2000 年以后，气动噪声仿真开始广泛应用

在气动噪声的模拟计算中，工程师往往关注以下几点：优化设计的快速性、是否可能在设计前期就进行噪声预测、仿真计算的网格规模、能否有效控制仿真成本、节约计算时间等。目前同样在 Hexagon|MSC Software 公司旗下的 scFLOW 和 Actran 软件就实现了无缝连接，可以有效提高气动噪声的计算效率。下面就给大家介绍 MSC Software 公司的 scFLOW 和Actran 是如何联合进行气动噪声模拟的。

Cradle 公司自 1984 年成立以来，一直致力于开发实用性较强的 CFD 软件，并提供包括销售，技术支持，培训，研讨会，以及根据客户要求进行二次开发和工程咨询的整体服务。通过提供为客户定制的培训。项目支持以及软件的二次开发，更好地满足客户特殊需求。Cradle 软件随着硬件性能日新月异的飞速发展不断成长。为了成分发挥硬、软件双方的特性，为客户提供满意的计算平台，是软件不仅成为研究人员及专家的工具，还能为设计人员及第一线的工作人员所用，成为操作简单，易于使用的检查和评价设计方案的工具。2016 年 Cradle作为通用流体解决方案加入美国 MSC 力学软件公司。

scFLOW 是日本 Cradle 软件公司开发的基于非结构化网格的热流体分析软件，广泛应用于汽车、机械、电气、精密设备、水利、国防、环境等领域。从 1998 年开始到现在全球已经有上千家用户，在日本有 30%的市场份额，几乎所有的日本韩国知名公司都是 scFLOW软件的用户。scFLOW 使用非结构化网格以控制体积法（FVM）为基础开发而成，其功能全面，适用性广，将不同领域的计算软件特点结合起来，成为 CFD 计算机软件群，即集建模、划分网格、求解、后处理所有功能集成为一体的（All-in-one）热流体分析系统，该软件彻底地改变了过去的 CFD 软件产品在“速度”、“简洁化”和“价格”方面的形象，其强大的网格划分能力，丰富的物理模型，计算低内存消耗，高性能计算速度和精度，基于尖端技术开发的丰富生动的可视化技术已被众多用户所认可。

FFT（MSC 子公司）旗下的 Actran 是国内外通用的声学模拟软件，由于精细的建模方法，便捷的操作流程及精准的计算精度被广大用户所接纳。Actran 主要基于声学有限元求解各类声学问题，同时包含声学无限元、完美匹配层、间断伽辽金（DGM）、统计能量方法（新版本）等多类方法，可用来求解范围广泛的振动噪声与气动噪声问题。Actran 便捷易操作的前后处理界面也是一大亮点。近年来，由于 Actran 在气动噪声的优异表现，如汽车风噪声、风机类旋转机械噪声、航空发动机噪声等方面的卓越表现，已经逐步成为产品开发必不可少的仿真工具。

气动噪声计算的挑战

众所周知，气动噪声中声压只是流体压力中很小的一部分。拿汽车风噪声举例，100 km/h行驶速度的轿车，动压约为 500Pa，而声压仅为 0.11Pa（75dB）；可想而知，我们在通过 CFD直接计算气动噪声时，如同在波涛汹涌的海面（动压）上辨别投石引起的波浪（声压），困难较大，通常我们采用流体（CFD）+声学（Acoustic）联合仿真的方式。

气动噪声源采用声类比方法提取，这要基于一个重要的假设：湍流流动引发声学场，但是声学场对流体没有反馈的影响，如下图所示：

正如前面介绍的，声场中的声压脉动相对于流体里面的压力脉动是很小的一个量。这个假设对于几乎所有的气动噪声源都是有效的。上述的假设提出后，就可以用两个步骤来计算气动噪声：

第 1 步：计算不稳定流场，此时不关心声传播。这是在 CFD 求解器中完成的；

第 2 步：计算气动噪声源及其传播过程。这是在 Actran 中完成的；除此之外，目前 scFLOW可以直接在内部调用 Actran 求解器。

在Actran中可以使用两种不同的声类比方法：Lighthill声类比，适用于低马赫数（Ma<0.3）气动噪声；Möhring 声类比，适用于更高的马赫数（Ma>0.3）。Lighthill 声类比和 Möhring 声类比都基于 CFD 中的 N-S 方程和连续性方程推导获得，Lighthill 声类比方法无法考虑流体流动对声传播的影响，所以仅能近似用于低马赫数气动噪声计算。

在气动噪声计算过程中所有相邻的 CFD 单元的结果都能映射到声学网格节点，如下图所示；这种方法不需要对声源区域的声学网格进行细化就能保证计算非常准确，因为它使用了 CFD 网格中包含的所有信息。气动声源被映射到声学网格上，就可以运行 Actran 计算。Actran 的计算不局限于简单的声传播，还可以通过复杂的传播路径来计算空气声学源的声学传播，如可以增加吸收材料或穿孔板，可以计算由气动声源引起的结构的振动等等。

如上图所示，韩松系统（Hanon systems）采用混合方法来计算空调管道气动噪声，并发表在 SAE 国际大会上。研究的案例是一个汽车空调管道，空气通过前端系统注入，一个麦克风位于管道前方，以记录噪声大小。为了重现这个实验，工程师进行瞬态 CFD 计算，然后建立 Actran 模型求解气动噪声。计算完毕可以得到 Lighthill 声源分布，声场分布云图及监测点声压级频谱与实验的对比结果。使用混合方法计算的结果与实验结果非常匹配，这一结果使韩松系统（Hanon systems）工程师确信该方法很适合预测气动噪声。

“scFLOW2Actran ”气动声学包概览

CFD 分析软件的界面和声学分析软件的界面有些许差异，为了解决流体工程师在气动声学部分的使用习惯问题，我们推出“scFLOW2Actran”气动声学包，能够实现声流耦合分析流程和操作上的无缝衔接。实现了在 CFD 软件 scFLOW 中进行气动声学的全面分析，不仅能够计算出声源，还能够考虑流动噪声的产生和传播。也就是说整个气动声学的解析流程，全部在 scFLOW 中进行，不必打开 Actran 界面。

“scFLOW2Actran”气动声学包的执行机制如下：

（1）通过 scFLOW 计算声源，为 Actran 计算提供数据支持。

① Actran 读取 scFLOW 的结果文件（ FPH ）。

② 不仅支持非稳态计算，也支持稳态计算。

（2）Actran 的求解设定，网格划分可以在 scFLOW 界面中进行。

（3）Actran 的求解可以在 scFLOW 界面中调用。

① 流体计算，数据交互，声学计算在 scFLOW 求解界面中进行。

（4）Actran 的结果（h5）可以在 scFLOW 后处理中可视化。

“scFLOW2Actran ”气动声学包解析流程

（1）“scFLOW2Actran”的气动声学解析流程