ACTRAN AERO-Acoustics_Theory_complete-ACTRAN气动声学理论完整版
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• 使用CFD进行非定常流场计算 • 从CFD结果中提取等效声源，使用声学求解器进行声传播计算 • 该方法包括： • 声类比方法：Lighthill，Mohring声类比 • 积分方法：Curle，Lighthill，Green…
半经验模型：不依赖于非定常的流体计算。
6
Copyright Free Field Technologies
20
Copyright Free Field Technologies
主控方程
两个定义, 没有假设:
A0是声源区之外静止流体的声速 a = - 0 其中0大气密度 0 是个常数:
得到(L1):
(L1)
如果观察点不在声源区，也没有均匀流动，那么, a = 声场密度
11
Copyright Free Field Technologies
混合方法
积分方法：
Lighthill, Curle, FW-H, Farassat, ... 都基于NS方程的方法 在声场内求解关于声学的显式方程以及计算声源对胜场内任何一点的贡献率 需要Green function
局限
声源项的不准确性（声源的统计） 对声学特性的预测相当困难 数值计算的成本不容忽视（大量的涡=大量的计算）
13
Copyright Free Field Technologies
Analogy concept
声类比理论
Copyright Free Field Technologies
压力 粘性应力 (2)
经过变换，方程（2）可以写成如下的形式：
常数 Lighthill应力张量
Lighthill应力张量T如下:
(T)
19
Copyright Free Field Technologies
主控方程
定义 ’=-0 其中0是大气密度 结合(1) 和 (2):
理想气体假设:
22
Copyright Free Field Technologies
结论
Lighthill选择的波动算子只在流体静止时有效 (无均匀流时) Lighthill ：如果观察者远离声源区，而且均匀流速度为0，那么a 就是声 场变量 万一观察者在流动中 (在喷流之中)
数学上，一切正常 物理上，a 就不是声场变量
7
Copyright Free Field Technologies
CFD技术概述
DNS:直接数值模拟
求解所有尺度的分量(一直到粘性尺度). CPU资源消耗与 Re3/M4成正比 目前，DNS还难以应用于工程实际问题中 参考: /wiki/Direct_numerical_simulation
应用实例
尾缘噪声 喷流噪声 ...
24
Copyright Free Field Technologies
Lighthill’s analogy
有限元形式 vs积分方法
Copyright Free Field Technologies
Lighthill积分方法
上世纪50年代, 计算喷流噪声是个很大的挑战。 为了计算喷流噪声，需要找到半解析模型 Lighthill 从物理模型中推导得到了以下规律
声类比
由非定常的CFD计算提供流场结果 v ( x, t ); ( x, t ); p( x, t ) 基于数学和物理的概念
计算等效声源 使用声学求解器计算声传播
固壁边界 Gs
声源区域Ws
Ge
Gs
无反射边界 条件Ge
Wa
CAA计算域W (Actran/LA, FEM)
Mö hring声类比
控制方程 Actran中的Mö hring声类比
结论
2
Copyright Free Field Technologies
Introduction to AeroAcoustics
气动声学简介
Copyright Free Field Technologies
气动声学简介
RANS:雷诺平均方法
计算定常平均流场(不依赖时间和空间) 参考: /wiki/Reynolds-averaged_NavierStokes_equations
8
Copyright Free Field Technologies
直接数值电缆的作用(Aeolian tones, Strouhal 1878) 飞机起落架 风扇叶片 管道中的截面变化与障碍 乐器：长笛等 …
Copyright Free Field Technologies
气动声学简介
气动声学涉及由任何非定常流的波动引起的噪声...
成因 ：
依托于稳态CFD结果而给定湍流动能信息（ 湍动能TKE ）。 从现有的谱中得到湍流动能信息（射流噪声测量） 然后计算出相应的噪声源项 最后使用标准的方法计算声传播 （Lighthill, FWH, FEM.....）
历史
Candel及Bailly对SNGR方法做出了进一步开发 被用于射流噪声的预测
Step 1: previous slides = 波动算子+声源项 Step 2: 使用自由场的格林函数 Step 3:在整个空间进行积分 ，得到a=.... Step 4: 进一步假设，得到八次方定律
Cf. 1952 paper
Step 在文章的第一部分 Steps 2 and 3 在文章的第二部分，如后面胶片所示 Step 4 给出了喷流的尺度定律
21
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主控方程
假设
高雷诺数 低马赫数 无熵源项
得到(L2):
忽略粘性项 熵变 为0 如果观察点不在声源区,声场变量简化为大气密度的声场波动 : a = - 0 最终得到:
(L2)
NB:在声源区, a同时包含声源信息
万一观察者在声源区
数学上，一切正常 物理上，a 就不是声场变量
在Actran/LA也是一样
23
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剪切层
在Lighthill的推导中，没有特别强调剪切流 实际上，剪切流可以看做声源
数学上，是正常的 物理上,剪切层的折射被模化成为声源，而不是传播效应 剪切层可以被看做静止介质中的涡街 (= divT声源）
计算气动声学
CAA的主要挑战在于CFD
CFD求解Navier-Stokes方程 最小湍流尺度的刻划公式 lv L Re
3 4
实际计算中，空间分辨率远远大于最小湍流尺度 x lv
湍流模型刻划了那些没有分辨出尺度的湍流对大涡的影响
由于计算资源的限制，空间和时间分辨率有限
10
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混合方法
假设：
声源与流动中的湍流有关 声场不会改变流场
两个计算步骤：
步骤 1：计算非定常流动（URANS、LES或DES） 步骤 2：从CFD结果中提取声源并计算声传播
挑战：
找到“好的”波动算子 找到好的“声源”项 从CFD网格中准确提取声源并导入声学网格
BEM：来自积分的方法。 FEM: 见后 LEE：线性欧拉方程：
在施加无反射边界条件，导纳以及声源时十分复杂
12
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半经验方法
SNGR: 随机噪声的产生于辐射（Stochastic Noise Generation and Radiation）
26
Copyright Free Field Technologies
Lighthill积分方法
从(L1); 不做任何假设，可以得到
(L1)
如果不在声源区，也没有均匀流动, a 就是声场变量
声源问题的Green函数:
27
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LES:大涡模拟
计算大涡结构，大涡结构包含大部分的能量 模化小涡对大涡的作用 参考: /wiki/Large_eddy_simulation
DES:脱体涡模拟
避免壁面附近的网格过密 参考: /wiki/Detached_eddy_simulation
Actran
气动声学理论
欢迎加入ACTRAN QQ群：81289983
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主要内容
气动声学简介
定义：气动声学和计算气动声学CAA CFD技术 面临的挑战 历史及可行方法
Lighthill声类比
控制方程 有限元计算方法与积分方法 Actran中的Lighthill声类比
非定常层流 湍流 燃烧
问题分解
流动（湍流） 声学
流动
噪声
忽略噪声对流动的影响 5
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计算气动声学
CAA：计算气动声学 解决CAA问题的几种策略：
直接计算：由CFD软件直接计算气动声学问题。 混合方法：将湍流（噪声源）与声传播分开进行计算
定义：由气流运动产生的噪声。（气动噪声）
气动声学是研究流体自身以及流体与固体边界相互作用发声机理的一门学科。 “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." ( M.E. Goldstein, Aeroacoustics, Mc Graw Hill, 1976. )
Lighthill积分方法
声源
代表真实噪声源的贡献
16
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Lighthill’s analogy
Lighthill声类比理论
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主控方程
质量方程:
(1) 密度 速度
动量方程(Navier-Stokes):
定义： 单独使用CFD对流动和声学进行模拟。 雷诺数： 马赫数： 计算成本：
网格精度： 时间步数：
总消耗资源
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直接数值模拟
总结： 需要比传统CFD计算更大的网格域 声能水平远小于湍流能量 CFD的离散化需要一定的精度以准确捕捉湍流结构，化学过程等，但不能 准确的计算声传播的某些特性（散射/耗散） 任何声学设计的改变都需要重复完整的仿真过程 声学计算需要很高的精度 需要设置无反射边界条件
15
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声类比
真实的声学问题
复杂的几何形状和不同的物理过程； 噪声由极小的波动产生； 噪声向流体的传播是非常复杂的过程
声类比问题
保持真实的几何形状 考虑声传播的模型 剩余的所有影响都被考虑成声类比问题。声源的定义与声波的算子相关。
半经验模型：不依赖于非定常的流体计算。
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20
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主控方程
两个定义, 没有假设:
A0是声源区之外静止流体的声速 a = - 0 其中0大气密度 0 是个常数:
得到(L1):
(L1)
如果观察点不在声源区，也没有均匀流动，那么, a = 声场密度
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Copyright Free Field Technologies
混合方法
积分方法：
Lighthill, Curle, FW-H, Farassat, ... 都基于NS方程的方法 在声场内求解关于声学的显式方程以及计算声源对胜场内任何一点的贡献率 需要Green function
局限
声源项的不准确性（声源的统计） 对声学特性的预测相当困难 数值计算的成本不容忽视（大量的涡=大量的计算）
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Copyright Free Field Technologies
Analogy concept
声类比理论
Copyright Free Field Technologies
压力 粘性应力 (2)
经过变换，方程（2）可以写成如下的形式：
常数 Lighthill应力张量
Lighthill应力张量T如下:
(T)
19
Copyright Free Field Technologies
主控方程
定义 ’=-0 其中0是大气密度 结合(1) 和 (2):
理想气体假设:
22
Copyright Free Field Technologies
结论
Lighthill选择的波动算子只在流体静止时有效 (无均匀流时) Lighthill ：如果观察者远离声源区，而且均匀流速度为0，那么a 就是声 场变量 万一观察者在流动中 (在喷流之中)
数学上，一切正常 物理上，a 就不是声场变量
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CFD技术概述
DNS:直接数值模拟
求解所有尺度的分量(一直到粘性尺度). CPU资源消耗与 Re3/M4成正比 目前，DNS还难以应用于工程实际问题中 参考: /wiki/Direct_numerical_simulation
应用实例
尾缘噪声 喷流噪声 ...
24
Copyright Free Field Technologies
Lighthill’s analogy
有限元形式 vs积分方法
Copyright Free Field Technologies
Lighthill积分方法
上世纪50年代, 计算喷流噪声是个很大的挑战。 为了计算喷流噪声，需要找到半解析模型 Lighthill 从物理模型中推导得到了以下规律
声类比
由非定常的CFD计算提供流场结果 v ( x, t ); ( x, t ); p( x, t ) 基于数学和物理的概念
计算等效声源 使用声学求解器计算声传播
固壁边界 Gs
声源区域Ws
Ge
Gs
无反射边界 条件Ge
Wa
CAA计算域W (Actran/LA, FEM)
Mö hring声类比
控制方程 Actran中的Mö hring声类比
结论
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Introduction to AeroAcoustics
气动声学简介
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气动声学简介
RANS:雷诺平均方法
计算定常平均流场(不依赖时间和空间) 参考: /wiki/Reynolds-averaged_NavierStokes_equations
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直接数值电缆的作用(Aeolian tones, Strouhal 1878) 飞机起落架 风扇叶片 管道中的截面变化与障碍 乐器：长笛等 …
Copyright Free Field Technologies
气动声学简介
气动声学涉及由任何非定常流的波动引起的噪声...
成因 ：
依托于稳态CFD结果而给定湍流动能信息（ 湍动能TKE ）。 从现有的谱中得到湍流动能信息（射流噪声测量） 然后计算出相应的噪声源项 最后使用标准的方法计算声传播 （Lighthill, FWH, FEM.....）
历史
Candel及Bailly对SNGR方法做出了进一步开发 被用于射流噪声的预测
Step 1: previous slides = 波动算子+声源项 Step 2: 使用自由场的格林函数 Step 3:在整个空间进行积分 ，得到a=.... Step 4: 进一步假设，得到八次方定律
Cf. 1952 paper
Step 在文章的第一部分 Steps 2 and 3 在文章的第二部分，如后面胶片所示 Step 4 给出了喷流的尺度定律
21
Copyright Free Field Technologies
主控方程
假设
高雷诺数 低马赫数 无熵源项
得到(L2):
忽略粘性项 熵变 为0 如果观察点不在声源区,声场变量简化为大气密度的声场波动 : a = - 0 最终得到:
(L2)
NB:在声源区, a同时包含声源信息
万一观察者在声源区
数学上，一切正常 物理上，a 就不是声场变量
在Actran/LA也是一样
23
Copyright Free Field Technologies
剪切层
在Lighthill的推导中，没有特别强调剪切流 实际上，剪切流可以看做声源
数学上，是正常的 物理上,剪切层的折射被模化成为声源，而不是传播效应 剪切层可以被看做静止介质中的涡街 (= divT声源）
计算气动声学
CAA的主要挑战在于CFD
CFD求解Navier-Stokes方程 最小湍流尺度的刻划公式 lv L Re
3 4
实际计算中，空间分辨率远远大于最小湍流尺度 x lv
湍流模型刻划了那些没有分辨出尺度的湍流对大涡的影响
由于计算资源的限制，空间和时间分辨率有限
10
Copyright Free Field Technologies
混合方法
假设：
声源与流动中的湍流有关 声场不会改变流场
两个计算步骤：
步骤 1：计算非定常流动（URANS、LES或DES） 步骤 2：从CFD结果中提取声源并计算声传播
挑战：
找到“好的”波动算子 找到好的“声源”项 从CFD网格中准确提取声源并导入声学网格
BEM：来自积分的方法。 FEM: 见后 LEE：线性欧拉方程：
在施加无反射边界条件，导纳以及声源时十分复杂
12
Copyright Free Field Technologies
半经验方法
SNGR: 随机噪声的产生于辐射（Stochastic Noise Generation and Radiation）
26
Copyright Free Field Technologies
Lighthill积分方法
从(L1); 不做任何假设，可以得到
(L1)
如果不在声源区，也没有均匀流动, a 就是声场变量
声源问题的Green函数:
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Copyright Free Field Technologies
LES:大涡模拟
计算大涡结构，大涡结构包含大部分的能量 模化小涡对大涡的作用 参考: /wiki/Large_eddy_simulation
DES:脱体涡模拟
避免壁面附近的网格过密 参考: /wiki/Detached_eddy_simulation
Actran
气动声学理论
欢迎加入ACTRAN QQ群：81289983
Copyright Free Field Technologies
主要内容
气动声学简介
定义：气动声学和计算气动声学CAA CFD技术 面临的挑战 历史及可行方法
Lighthill声类比
控制方程 有限元计算方法与积分方法 Actran中的Lighthill声类比
非定常层流 湍流 燃烧
问题分解
流动（湍流） 声学
流动
噪声
忽略噪声对流动的影响 5
Copyright Free Field Technologies
计算气动声学
CAA：计算气动声学 解决CAA问题的几种策略：
直接计算：由CFD软件直接计算气动声学问题。 混合方法：将湍流（噪声源）与声传播分开进行计算
定义：由气流运动产生的噪声。（气动噪声）
气动声学是研究流体自身以及流体与固体边界相互作用发声机理的一门学科。 “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." ( M.E. Goldstein, Aeroacoustics, Mc Graw Hill, 1976. )
Lighthill积分方法
声源
代表真实噪声源的贡献
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Lighthill’s analogy
Lighthill声类比理论
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主控方程
质量方程:
(1) 密度 速度
动量方程(Navier-Stokes):
定义： 单独使用CFD对流动和声学进行模拟。 雷诺数： 马赫数： 计算成本：
网格精度： 时间步数：
总消耗资源
9
Copyright Free Field Technologies
直接数值模拟
总结： 需要比传统CFD计算更大的网格域 声能水平远小于湍流能量 CFD的离散化需要一定的精度以准确捕捉湍流结构，化学过程等，但不能 准确的计算声传播的某些特性（散射/耗散） 任何声学设计的改变都需要重复完整的仿真过程 声学计算需要很高的精度 需要设置无反射边界条件
15
Copyright Free Field Technologies
声类比
真实的声学问题
复杂的几何形状和不同的物理过程； 噪声由极小的波动产生； 噪声向流体的传播是非常复杂的过程
声类比问题
保持真实的几何形状 考虑声传播的模型 剩余的所有影响都被考虑成声类比问题。声源的定义与声波的算子相关。