CFD 軟體如何分析噪音的產生、傳播、衰減？

12-03

噪音是液壓系統的痼疾之一，請問CFD軟體可能分析噪音的產生、傳播、衰減等等？

你想要解決的問題實際上流體發生問題，包括氣動雜訊、水雜訊等。歸納起來，目前的流雜訊預測方法主要有：（1）半經驗方法；（2）直接數值模擬方法；（3）CFD和聲類比相結合的混合方法。其中後兩種都是採用數值計算的方法。

（1）半經驗方法

半經驗方法是在大量實驗的基礎上結合理論分析總結出的經驗性雜訊預測方法。如使用該方法使風機的雜訊與風機的結構尺寸、流量、壓力、甚至流場結構等主要參數關聯起來，對同一類型的風機有很好的預測結果。但是由於需要大量的物理模型和實驗測試，耗時耗力。

（2）直接數值模擬方法（DNS）

聲學非齊次波動方程嚴格意義上講是三維可壓縮N-S方程的變形形式，可壓縮形式的N-S方程能夠描述在任何流動情況下聲波的產生和傳播現象。因此，從理論上講，流聲的數值計算可以通過DNS方法求解。這樣從大尺度到最小的黏性尺度，全部的尺度都被解出，求解結果包括了聲音的產生和傳播。顯然，這樣的計算並不存在湍流模型和聲源模型帶來的模型誤差和近似誤差，而且直接模擬能夠同時得到流場和聲場的結果，有利於更好揭示雜訊機理。然而與流場流動的能量相比，聲波的能量要小几個數量級。因此，這種求解方式通常要求高階、低耗散的方法用於精確捕捉和傳播聲波，同時從聲源到雜訊測點劃分的網格也要足夠精細。因此進行直接模擬對系統資源的要求很高，而且計算時間也很長，就工程應用而言，這種方法目前還是不實際的。

（3）CFD和聲類比相結合的混合方法

CFD和聲類比相結合的方法是迄今為止最流行的雜訊預測方法，此方法也常被稱為混合方法或兩步法。該方法的基本思想是：近場部分採用CFD技術進行數值模擬，以獲得準確的聲源信息數據；聲波從近場到遠場部分的傳播採用聲類比方法進行精確的求解。聲類比模型忽略聲場對流場的反饋作用，把雜訊的求解分為兩個步驟，即將雜訊的產生與傳播過程分別進行計算。與直接模擬相比，聲類比方法大大降低對計算資源的要求，使之能應用於現有的計算機上。由於忽略聲場與流場之間的相互作用，不可避免帶來一定的誤差。然而該方法克服了直接數值模擬方法方法在遠場雜訊計算方面的不足，大大提高了遠場雜訊計算的效率。

Lighthill聲類比方程的求解方法有積分方法，邊界元方法和有限元方法。要考慮聲波的反射、散射和衍射等作用，需要結合邊界元或者有限元方法進行模擬。

a) 積分解法，如Curle方程和FW-H方程，其優點是只需要非定常流場結果的輸入，而不需要建立額外的聲學網格，計算速度很快。其中對於外流場問題，如機身雜訊，起落架雜訊，螺旋槳雜訊，汽車外雜訊等，可採用自由空間格林函數求解；然而對於幾何邊界複雜的內流場問題，格林函數難以得到，只有對於部分很規則的空間，諸如自由空間、封閉球空間、無限大平板半空間等，才能得到其解析表達式對於內流場雜訊問題。

b) 邊界元方法，邊界元方法是一種目前廣泛應用在封閉腔體內部或外部的聲輻射和散射場預測的方法，它可以考慮殼體對聲傳播的作用，但很難考慮到全部四極子聲源的作用，也沒辦法考慮聲與結構的相互作用。此外，邊界元方法能求解的網格數目也有限。

c) 有限元方法，聲學有限元方法是將Lighthill方程轉化為變分形式，採用有限元方法進行求解，這樣可以將聲源進行空間離散以考慮結構和聲的相互作用。計算精度高，適用於任何複雜的幾何結構。其主要的缺點是建模複雜，計算速度慢，計算資源耗費大。

對於流動引起雜訊的聲傳播問題，聲學計算域如圖所示。圖中，代表由CFD獲得的聲源的計算域，為流動區域外的計算域，其中聲源變為零，用於計算輻射的雜訊。定義為聲源的邊界，為聲學計算域的外部邊界。

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下面直接回答你題目中的問題，如果只使用CFD軟體分析雜訊，那麼只能採用積分解法，對於液壓系統這種典型的複雜邊界內流場是不適用的。

現有的商業CFD軟體中，fluent是提供簡單的acoustic模塊的，包括寬頻雜訊計算和FW-H聲學計算。其中寬頻雜訊可以基於穩態CFD結果進行分析，只提供一個幅值，沒有頻率特性。FW-H方法基於非穩態CFD結果進行聲學計算，可以用於模擬從非流線型實體到旋轉風機葉片等雜訊源的傳播，可以分析頻率特性。但同樣，一般只應用與自由空間問題。

建議還是採用邊界元或有限元方法分析流雜訊，讓那流動歸於流動，雜訊歸於雜訊吧。目前常用的商業軟體有Virtual.Lab和Actran，可以找資料學習一下。

我也不清楚你說的液壓系統的雜訊是指流體雜訊還是固體雜訊。既然問的是CFD 那麼就姑且認為是流體雜訊吧。

首先樓主的問題相當大啊包括了雜訊的產生傳播和衰減。就差聲輻射和散射問題了。

首先說雜訊是如何產生的。基本上是流場中非穩定的信號產生的一般情況下都是湍流產生的。這也是為什麼在氣動聲學聲產生領域基本上看不到RANS的原因因為RANS對了湍流信息的預測不太靠譜。最常見的就是DNS和LES。DES也要靠邊站。雜訊究竟是怎麼從湍流裡面產生的這個我估計沒人能回答。我們首先假設湍流的運動服從NS方程。那麼NS方程裡面基本上包含了五種波。兩個傳播方向相反的聲波兩個旋轉方向的渦波以及一個對流熵波。那麼湍流這種亂七八糟的運動主要成分是渦波（實際上還有熵和聲）。在非線性影響下部分能量會轉化為聲能（這部分非常非常小 Lighthill 估計過）。對於穩定的流動基本上也不存在雜訊問題。雜訊就是一個不斷壓縮擴張的過程是一個非穩定過程。如果哪個人告訴你他用穩態求解器算了一下雜訊產生問題那麼估計要中獎了。另外再提一下算聲產生問題都是高精度求解器（高精度不等於高階），數值耗散與人工粘性還有濾波要用的特別少因為聲波在實際情況中是衰減的很慢的但是計算的時候數值耗散瞬間就可以讓聲波see u tomorrow。低數值耗散的結果就是程序極度不穩定這也是為什麼很少有高精度氣動升學的商用軟體的原因。（再說句題外話聲產生領域最前沿高端的課題就是燃燒雜訊基本上頂級大牛都在做這個方向或者這個方向相關的其他工作。）

扯遠了第二個問題是雜訊怎麼傳播的。這屬於聲傳播領域基本上都認為這是一個線性過程。換句話說聲音的傳播可以認為是小擾動在背景流動上的傳播過程。常見的解法就是線性歐拉方程（LEE），線性擾動方程（APE）等。這部分一般也是用高精度演算法求解原因同上。這一部分很熱門因為涉及了很多工程問題（open rotor 發動機雜訊機身雜訊管道雜訊等等）。

最後一個問題聲衰減。聲音一般在自由空間裡面衰減時很慢的。但是實際情況下在物體表面會鋪一些吸聲材料加速聲音的衰減。

聲學裡面還有一個很重要的問題就是聲輻射。一般也是FW-H 問題。就是聲音怎麼輻射到遠場的問題。FW-H方程已經很成熟了而且FW-H求解器也很容易編寫所以這一塊基本屬於聲學裡面的數據後處理問題。

當然還有一些傳統聲學問題比如聲散射啊基本上也都是傳統解法。藉助格林函數求解中間可能還會用到邊界元（BEM）之類的求解方式。

如果題主用的是商用軟體那麼可以寫一個FW-H求解器然後算算原唱雜訊指向性做一些定性分析還是比較靠譜的。

如果真的有興趣了解請看SK Lele 06年在annual review上的綜述，如果沒有耐心看綜述，那就不必了解了。

利益相關，請謹慎採納。

基於Lighthill方法的傳統技術路線，幾位知友已經解釋過了。
我補充的是另一條路徑上的新進展：
直·接·算=￣ω￣=

關鍵詞low mach to transsonic, compressible，LBM，當然離DNS還有一點距離。

優勢是精度。盲算，准到沒有朋友：

Düsseldorf, FLOW-INDUCED NOISE PREDICTIONS OF AN AUTOMOTIVE ALTERNATOR USING A LATTICE BOLTZMANN METHOD，TurboExpo 2014， June 16-20, 2014

Karl Washburn etc., Modeling fan noise with time-domain CFD within the product design cycle，Noise-Con 2014, Fort Lauderdale, Florida, September 8-10, 2014

由於種種限制，國內能夠找到的就這點信息了。如果能夠裂牆，自己到you2be等檢索更多動畫和論文吧。這兩年進展挺大的，國內似乎沒有其他人跟進。
http://www.tudou.com/programs/view/hSBD-83jUbE/ http://www.tudou.com/programs/view/lcU6bnXr28o/

利益相關，請謹慎採納。

fluent可以

能分析，但不準。