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MSC气动噪声全流程解决方案 | 基于scFLOW2Actran的HVAC管道气动噪声案例展示
2020-03-31 08:16:44· 来源：MSC软件 作者：吴昌、白长安
MSC 4天前作者 |吴昌MSC CFD高级工程师白长安MSC声学高级工程师*友情提示：文末有惊喜1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
1 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."
图1 常见气动噪声源及其传播
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。
（ 1 ）螺旋桨空化分析 （ 2 ）方程式赛车外气动分析
图 2 基于 scFLOW 的 CFD 分析
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。
图3 Actran声学仿真典型问题
2 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。
图4 汽车风噪及相关示意图
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：
图5 流场与声场的作用关系
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。
图6 信息映射过程及声传播
图7 混合方法求解空调管道气动噪声
如上图所示，伟世通（Visteon）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。
3 “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。
①Actran 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。
4 “scFLOW2Actran”气动声学包解析流程
（1）“scFLOW2Actran”的气动声学解析流程。
图8 非稳态气动声学解析流程
- 在非稳态解析流程中，ActranICFD 与 scFLOWsolver同时执行。
- Actran ICFD从流动解析中提取声源信息，并传递给Actran。
- 传递结束后可自动删除流体结果以节约硬盘空间。
- 在稳态分析中，scFLOWsolver和ActranI ICFD是相继执行的。
（2）scFLOW中关于“scFLOW2Actran”的设定界面
虽然设定界面都在scFLOW中进行，但声学相关的数据格式还是Actran相关的数据格式，CFD相关的数据格式还是scFLOW相关的数据格式。只将流程整合，网格和求解功能还是分别在各自的“内核”中实现。
图9 CFD分析和声学分析相关的文件格式
在scFLOW中进行气动声学解析时，需要在 [Environment Settings] - [Project Configuration] - [Project Type], 选择相关的“session”。
流体解析：[scFLOW2Actran: Fluid Session]
声学解析：[scFLOW2Actran: Acoustic Session]
图10 scFLOW中流体和声学模块的选择
声学的求解设定也在scFLOW中实现，以下展示scFLOW中声学的设定界面。
图11 scFLOW中声学设定界面
当选择acoustic session中的[conditions]时，界面展示声学相关的条件设定。
包含以下设定：
- 流体解析数据传递相关设定及材料设定（Basic Setting）
- 面区域的无反射边界条件设定（Boundary Condition）
- 声学解析结果的输出设定（OutputSetting of Analysis Data）
- 声学解析输入和输出相关文件的名称（File Name）
需要分别输出流体的声学相关的数据文件。输出界面和相关格式如下图所示。
图12 文件输出界面
将fluid session部分输出的CMB文件拖入scFLOW的求解监控器并执行，监控器将调用流体和声学的求解器进行相关求解，但求解监控曲线全部在scFLOW的监控器中显示。
图13 声学和流体求解的监控
（3）“scFLOW2Actran”的声学网格和声学后处理
“scFLOW2Actran”模块的核心是将Actran的气动声学功能集成在scFLOW的界面中，scFLOW前处理可以为Actran划分声学网格，如下图所示。
图14 scFLOW为Actran划分声学网格
同时，可以用scFLOW的后处理对Actran的结果进行后处理。将(* .H5)格式的数据读入到scFLOW的后处理器中，展示声波的传播过程，如下图所示。
图15 scFLOW后处理展示声波的传播
5 应用实例
我们将在海克斯康大学的视频公开课中，以HVAC系统的气动噪声解析为例，向大家展示如何在scFLOW界面中，实现全面的气动声学分析（声源和声辐射）。
图16 基于“scFLOW2Actran” 的HVAC系统气动噪声解析
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