03-ACTRAN气动声学模块介绍

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部分ACTRAN Aero-Acoustics 客户
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ACTRAN Aero-Acoustics
气动声学分析方法
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Möhring声类比
非线性声场，对流影响声场 较强平均流动 高雷诺数(Re~106) 非均匀介质声传播
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ACTRAN Aero-Acoustics
计算过程概述
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利用声类比 标准简化假设
Actran传播声：
近场：有限元 远场：无限元
固壁Gs 源域Ws
Ge
Gs CAA域 W (Actran，FEM)
无限元Ge
Wa
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声类比概念：Lighthill的例子
从流体力学的方程（Navier-Stokes）开始 推导一个满足流场的标量方程
将方程重组成下面这个形式的波动方程
a 包含了声场和流场 在源域， a 只包含声场 在远场，
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Lighthill / Möhring 声类比
Lighthill声类比
线性声场，流场与声场没有耦合 低马赫数(Ma<0.2) 高雷诺数(Re~106) 均匀介质声传播
窗函数
方窗(default)
w(t ) 1 w(t ) 0
tmin t tmax t tmin or tmax t
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窗函数
DFT qn (tn ) 周期性地复制了 qn .w(tn )
间断
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依赖定常CFD结果来提供湍流数据(Turbulent Kinetik Energy TKE) 基于现有频谱提供TKE谱 计算相应的噪声源项 用“标准方法”(Lighthill, FWH, FEM.....)传播
历史
Candel和Bailly先后发展了SNGR方法 他们被用于射流噪声预测；
CA 节点 (稀疏)‫‏‬
信息丢失
积分插值法:
CFD 节点 (致密)‫‏‬ 从CFD节点到CA网格的积分插值
CA 节点 (稀疏)‫‏‬
所有信息都被利用，避免信息丢失! ◄
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窗函数
频谱能量泄漏
执行DFT，需要截断有限信号片段考虑部分的信号
气动声学介绍
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." ( M.E. Goldstein, Aeroacoustics, Mc Graw Hill, 1976. )
Actran/AA 计算步骤
CFD软件
湍流 CFD 模拟
基本变量
压强, 速度, 密度, „„
iCFD
- 将 CFD 基本量转换为声源 - 将声源用积分法插值入声学网格 - 执行傅里叶转换 从 CFD 结果到声学结果...
ACTRAN Aero-Acoustics Actran/VI
Actran结果的后处理
挑战
寻找“好”的波动算子 寻找“好”的源项 从CFD输入到声学网格，精确地提取这些源项
子方法

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积分方法 BEM（边界元） FEM （有限元） LEE（线性欧拉方程） ◄
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半经验方法
SNGR: Stochastic Noise Generation and Radiation
特点与不足
直接方法 CAA
计算资源 反射效应 声透射结构 声波对流体的 作用 求解类型 精确性
最多 √ × √
瞬态 好
瞬态 好
瞬态 好
稳态 有限制
Aero-Acoustics配合Vibro-Acoustics模块可进行流动-振动声学一体化分析！
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ACTRAN Aero-Acoustics
包含所有针对流致噪声仿真分 析的高级属性
与CFD软件兼容 Lightill声类比：针对低马赫数、 均质流 Mö hring声类比：针对高马赫 数、非均质流 提供积分插值法
ACTRAN Aero-Acoustics
胡 颖 Scarlett Hu 2011年10月27日
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目录
产品概述 气动声学分析方法 声类比概念
计算过程概述
应用
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限制
源项不够精确 数值成本不可忽略（大量涡模态=大量计算）◄
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简要回顾CFD技术
DNS：直接数值模拟
解决所有尺度 DNS是不实际的
LES: 大涡模拟 解决大尺度结构，包含大多数能量 建模小尺度对大尺度结构的影响
从 CFD结果到声学结果...
Actran/VI
Actran结果的后处理
ACTRAN Aero-Acoustics -计算iCFD得到声源的传播
-导出预设场点的声场云图和声压值
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所需的CFD数据
ICFD需要以下作为输入:
所有时间步长上的CFD基本变量 （Fluent，Star-CFD，etc……） CFD网格 （Fluent，Star-CFD，……） Actran格式的声学网格
在CAA中，主要挑战是CFD►
精确求解Navier-Stokes方程 空间和时间分辨率限制在可接受的成本
►
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混合方法
两个解耦的步骤
步骤1：CFD计算非定常流动 步骤2：从结果中提取声源并传播
原理中的假设
主要假设：涡模态和声模态没有相互作用，即声场不修正流场。
优势：
声源的计算与插值在CFD计算后进行一个CFD计算可以被用于不同声学 网格 积分插值但无线性插值声学结果不依赖于声学网格的细化程度► 提供各种窗函数►
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积分插值法 VS 线性插值法
线性插值法:
从CFD网格到CA节点的线性插值 CFD 网格 (致密)‫‏‬
DES: 分离涡模拟
避免在边界层上的巨大网格细化 RANS: 雷诺时间平均模拟 提供定常均流 (无时间相关→无频率相关) ◄
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气动声学分析方法比较
方法 1 方法 2 混合方法 CFD/FEM 一般 √ √ × 方法 3 混合方法 （F-WH、BEM） 一般 × × × 最少 × × × 方法4 湍流模型
举例
风在电缆周围 飞机起落架 风扇叶片 在管道部分的障碍和变化 像笛子等一些乐器 …
不同来源：
非定常层流‫‏‬ 湍流 燃烧
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计算气动声学（CAA）
有许多策略解决CAA问题
直接计算 混合方法► 半经验模型►
ACTRAN Aero-Acoustics
产品概述
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ACTRAN 模块
ACTRAN for NASTRAN
ACTRAN DGM
ACTRAN VibroAcoustics
ACTRAN AeroAcoustics
ACTRAN TM
ACTRAN Acoustics ACTRAN VI 4
窗函数
三角窗

t t min t max t min 0 0.5
w(t ) 2
w(t ) 2(1 ) 0.5 1 w(t ) 0 1 or 0
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窗函数
Hamming窗
从 CFD结果到声学结果...
Actran/VI
Actran结果的后处理
ACTRAN Aero-Acoustics -计算iCFD得到声源的传播
-导出预设场点的声场云图和声压值
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ICFD
ICFD 被用于：
从CFD结果中计算声源 将这些源积分插值到声学网格上 将这些源进行傅里叶变换（从时域转换到频域） 对平均背景流场进行线性插值（计算Möhring源）
19 - 计算 iCFD 得到声源的传播
- 导出预设场点的声场云图和声 压值
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ActFra Baidu bibliotekan/AA计算顺序
CFD软件
湍流CFD模拟
基本变量
压力、速度、密度„„
iCFD
-将CFD基本量转换为声源 - 将声源用积分法插值入声学网格 - 执行傅里叶转换

t t min t max t min 0 1
w(t ) 0.54 0.46 cos(2 ) w(t ) 0
1 or 0
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窗函数
Hanning窗

t t min t max t min 0 1
这意味着CFD软件必须在每个时间步长上输出基本变量 比如，Fluent通过 « autosave » 定义输出参数：
必须设置为1
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Actran/AA计算顺序
CFD软件
湍流CFD模拟
基本变量
压力、速度、密度„„
iCFD
- 将CFD基本量转换为声源 - 将声源用积分法插值入声学网格 - 执行傅里叶转换
ACTRAN Aero-Acoustics
声类比概念
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声类比概念
CFD（URANS，LES，DNS，……）计算流场 v ( x, t ); ( x, t ); p( x, t )

声源： S ( x, t ) f (v , , p)
DFT qn (tn ) qn .w(tn )
其中w(t)是窗函数
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窗函数
原始信号q(t)
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窗函数
Actran中的窗函数
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