梁老师：STAR-CCM+气动声学仿真解决方案（附赠模型）

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今天我们继续向全国企业推荐仿真秀平台优秀服务行家-梁老师，他已经在平台发布了《航空航天、汽车STAR-CCM+气动/传热/燃烧/多相流/运动/流固耦合/气动声学/电池等多学科耦合分析与拓扑优化》。点击可以向梁老师发起服务需求，本文是梁老师在STAR-CCM+气动声学仿真的案例，以下是正文：

一、写在文前

气动声学是计算由流体流动引发的噪声源和随后所产生的声波传播，在气动声学计算中，产生噪声主要为：（1）涡流脱落噪声，（2）湍流结构相互作用噪声，（3）尾缘噪声。在STAR-CCM+中，对气动声学的仿**要有三种方法。

1、宽带噪声源模型

宽带噪声源模型主要计算近场噪声，用以确定噪声源的位置和强度。宽带噪声源模型，包含偶极源的表面分布（Curle模型）和四极源的体积分布（Proudman模型）。

2、Ffowcs Williams-Hawkings（FW-H）气动声学模型

FW-H气动声学模型也叫声学辐射模型，FW-H气动声学模型是用来计算远场声学，通过对近场流场数据进行积分预测每个接收器位置处的小振幅声压波动。

3、直接噪声模拟

直接噪声模拟即对整个流场进行非稳态仿真，主要采用大涡模拟的方式，计算记录点上随时间变化的静压。通过使用傅里叶变换 (FT)得到声压与频率的关系。

二、宽带噪声源模拟模型

在气动声学仿真中，宽带噪声源模拟精度较低，FW-H气动声学模型用来计算远场声学，直接声学模拟用来计算近场声学，也可使用直接模拟来预测距离声源有一段距离的噪声，但其成本高昂，此时建议使用FW-H气动声学模型。

采用李玲等在北京航空航天大学的D5气动声学消声风洞进行的圆柱绕流气动声学测量实验的实验数据来验证气动噪声计算方法的准确性；实验测量了直径为0. 02 m 的圆柱在不同流速下的噪声，监测点在距离圆柱轴线2 m并与流速方向垂直的位置。

试验装置简图

消声室如图，对圆柱进行建模，为减小计算量，考虑周期性，模型如图。

消声室

圆柱绕流模型

为保持声学预测的精确性，需应用每波长点数 (PPW)和声学CFL标准。

（1）每波长点数(PPW)

声学计算的推荐PPW是

，适用于整个无阻尼区。需根据整个圆柱体的涡流脱落频率计算仿真的预期波长，频率根据斯特罗哈数计算得出。

在描述振荡流时通常使用斯特罗哈数 (St)，并定义如下：

其中, f是涡流脱落频率，D是圆柱体直径，U是自由流速度。

在

, St的经验公式为

,在本案例中，来流速度U=50m/s，雷诺数

涡流脱落频率

。

波长计算如下：

每波长点数PPW

要求PPW为40，则网格尺寸为

(2)声学CFL标准

声学 CFL为网格尺寸和时间步长的函数，声学 CFL定义为:

涡流脱落的频率为468Hz，时间步长限制如下：

对流库朗数的隐式求解器通常在本地10100范围内的最大值处稳定，但总平均值应该大约为1，对于此案例，相应的网格尺寸为：

在每波长点数PPW和声学 CFL标准确定的网格尺寸中选择最小值。

要满足高质量气动声学计算的要求，数值算法必须允许压力波和涡流平滑地穿过边界，需采用声学抑制区模型（ASZ）抑制虚假反射干扰。

声学抑制区模型（ASZ）的厚度应为2到5个声波波长，即声学抑制区的长度大于

（m）。

三、宽带噪声源模拟结果

Curle 表面声功率如图，假定各向同性湍流场的Curle声功率模型会计算偶极源产生的声音，该模型可表示固体边界在流体上产生的波动表面压力，图中显示了湍流边界层以低马赫数在表面产生的噪声级。

Curle 表面声功率dB

Proudman 声功率如图，可评估各向同性湍流产生的四极声源的局部影响，能显示湍流结构在圆柱体周围的流体场内产生的每单位体积的声功率。

Proudman 声功率(dB)

可视化网格截止频率。

网格截止频率Hz轮廓如图，在Proudman相关性所指示的主体声源区域内，网格的分辨率最大可达到约3000 Hz，可以求解接近圆柱体的较高频率。

网格截止频率Hz轮廓

FW-H远场声学模型结果

通过FW-H远场声学模型计算可得到圆柱体声压。

圆柱体声压

使用快速傅立叶变换，将声压定义为点接收器频率的函数，并与试验数据进行对比。计算结果与试验结果的对比如图，计算得到的圆柱频率的峰值与试验结果接近。声压与频率绘图预测涡旋从圆柱体表面脱落至其尾流而产生的峰值频率是500 Hz，这表明DES可以很好地预测涡流脱落。

FW-H数据与试验对比

四、直接噪声模拟

采用大涡模拟的方法直接计算流场，预测湍流，通过记录点（探头）或表面上随时间变化的静压，使用傅里叶变换 (FT) 工具进行光谱分析，得到声压与频率的关系。非稳态气动声学模拟需要有效的非反射边界条件，以防止来自计算域边界的虚假反射声波干扰气动声学结果，这里采用声学抑制区模型，通过阻尼式抑制指定厚度区域（声学抑制区域）内的流场不稳定性，得到边界处的非反射条件。

可以看出FW-H和LES计算结果的峰值频率都与试验结果接近，LES的计算结果相比于FW-H模型，更接近试验结果。