浅析actran气动噪声仿真技术，以圆柱绕流气动噪声仿真为例-EW帮帮网

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作者：小禹治水，仿真秀科普作者

一、写在前面

Actran是fft（Free Field Technologies）公司的旗舰产品，“号称”市场上最先进最完善的声学模拟软件（引用官方语言），覆盖振动声学和流动声学的各个方面，具备了与当今最先进技术相结合的广泛特征。可以轻松胜任声波的辐射、散射、封闭和开放声场、管道中的传播、对流效应、声振耦合、考虑阻尼效应等各种复杂的声学问题。据说这几年在国内发展势头很猛。本文主要对其在气动声学领域的仿真技术进行浅析，水平有限，欢迎指正。

二、Actran气动噪声仿真技术

1、计算气动声学方法简介

① 直接数值模拟（DNS）气动噪声源于流体运动过程中的非定常气动力，本身属于流动现象，通过DNS（直接数值模拟）的方法直接求解非定常可压缩N-S方程，可以完美求得气动声学的波动现象。但由于声波属于小扰动尺度，湍流能量远远大于声能量，这就要求流场空间离散和时间离散尺度可以分辨流场最小涡的脉动程度，对计算机硬件要求极其严苛，难以实践应用。有人曾形容，计算气动声学好比在波涛汹涌的海面捕捉一粒石子激起的波纹。

② 混合方法混合方法的基本假设认为流场的非定常脉动将产生声波的传播，但声波的传播过程对流场没有影响，从而实现气动声学问题从流体问题中解耦——两步走：

第一步：流场非定常计算；
第二步：从流场非定常解中提取声源及声传播分析。

这种方法的优点是可以利用已有成熟的流场分析技术，在提取声源并进行传播分析时可以使用有限元法，支持任何边界条件、高Ma问题、所有类型的声源。如何从流场中提取高精度的声源则成为声学软件开发者的新的挑战。

Actran气动噪声仿真方法就属于此类。2、Actran气动噪声仿真方法Actan提供三种气动噪声分析方法：Lighthill声类比方法、Möhring声类比方法、SNGR（Stochastic Noise Generated Randomly）方法。① lighthill声类比方法Actran/aero acoustics模块基于lighthill方法，并结合Curle’s理论得到：

方程右边第一项为lighthill体声源，第二项为lighthill面声源（对应旋转机械噪声问题）。

② Möhring声类比方法对于高流速（Ma>0.3）的背景流情况，需要对Lighthill方程做一些修正：

其中：

③ SNGR方法Actran提供的SNGR方法基于稳态雷诺时均流场计算得到的速度、湍流动能分布特性，通过添加随机扰动的方法重新合成含有时间项的流场数据，实现从RANS结果识别lighthill体积声源。主要分两个步骤：

第一步：合成湍流速度；
第二步：基于合成的湍流速度计算声源，目前仅限于使用lighthill声类比。

前两种方法基于流场的非定常解获取声源，精度较高，适用性广，已在工程中广泛应用。但需要求解流场的非定常运动，求解效率较低。SNGR方法基于稳态流场解，求解效率较高，在产品前期设计过程中可有效评估不同方案的噪声水平，指导产品优化设计。3、Actran气动噪声分析流程① 声学计算域如何确定气动声学计算无需像流体分析一样包含整个流动区域，声源主要产生于流体扰动剧烈的区域，并像周边介质进行传播。声学计算域基本建立原则如下：（1）流体扰动剧烈的区域作为声源区；（2）在声源区周边一定范围内建立声传播区；（3）声传播区边界建立无限元边界，可有效模拟声音向无穷远处辐射；

（4）在关注点建立声压监控点。

② Actran气动噪声仿真流程

基本流程如下：（1）流场非定常仿真：流场计算域确定、网格划分、非定常计算及结果输出；（2）ICFD声源提取：基于流场非定常解，完成声源转换及时频变换；

（3）Actran声源计算：Actran中进行声学介质属性、边界条件、求解场点等相关设置，进行声辐射计算。

三、圆柱绕流仿真案例分享

在此和大家分享下圆柱绕流气动噪声仿真的案例。

1、案例背景

圆柱绕流作为一种典型的钝体绕流，普遍地存在于自然界和工程中。随着來流Re的不同，其绕流形态各异。当Re<5时，流动为无分离的蠕动流；5≤Re<40时，流动为由两个对称驻涡组成的回流泡；Re≥40时，流动从两侧分离，形成交替脱落的漩涡——卡门涡街。随着Re的增大，分离区、涡街及边界层的结构存在不同，流动强烈的非定常作用及湍流流动将辐射较大的气动噪声。