1.前言

      噪聲源主要有兩種構(gòu)成，振動噪聲源和氣動噪聲源。顧名思義，振動噪聲是由結(jié)構(gòu)振動輻射出來的噪聲，氣動噪聲是由流體流動中的湍流引起并傳播出來的噪聲。在很多應(yīng)用場景中，了解并掌握氣動噪聲如何產(chǎn)生以及如何傳播對產(chǎn)品的設(shè)計有很大意義。比如，下圖中汽車風(fēng)噪聲，汽車在高速行駛時后視鏡和側(cè)窗區(qū)域形成的風(fēng)噪會傳入車內(nèi)；風(fēng)機在旋轉(zhuǎn)做功時會切割空氣并產(chǎn)生渦流，形成周期性較強的離散噪聲和寬頻帶的渦流噪聲；空調(diào)管道內(nèi)流速過快時產(chǎn)生的湍流噪聲等。

圖 1  常見氣動噪聲源及其傳播

       在氣動噪聲的模擬計算中，工程師往往關(guān)注以下幾點：優(yōu)化設(shè)計的快速性、是否可能在設(shè)計前期就進行噪聲預(yù)測、仿真計算的網(wǎng)格規(guī)模、能否有效控制仿真成本、節(jié)約計算時間等。 目前同樣在Hexagon|MSC Software公司旗下的scFLOW和Actran軟件就實現(xiàn)了無縫連接， 可以有效提高氣動噪聲的計算效率。下面就給大家介紹MSC Software公司的scFLOW和Actran是如何聯(lián)合進行氣動噪聲模擬的。 Cradle公司自1984年成立以來，一直致力于開發(fā)實用性較強的CFD軟件，并提供包括銷售，技術(shù)支持，培訓(xùn)，研討會，以及根據(jù)客戶要求進行二次開發(fā)和工程咨詢的整體服務(wù)。 通過提供為客戶定制的培訓(xùn)。項目支持以及軟件的二次開發(fā)，更好地滿足客戶特殊需求。Cradle軟件隨著硬件性能日新月異的飛速發(fā)展不斷成長。為了成分發(fā)揮硬、軟件雙方的特性，為客戶提供滿意的計算平臺，是軟件不僅成為研究人員及專家的工具，還能為設(shè)計人員及第一線的工作人員所用，成為操作簡單，易于使用的檢查和評價設(shè)計方案的工具。2016年Cradle作為通用流體解決方案加入美國MSC力學(xué)軟件公司。  scFLOW是日本Cradle軟件公司開發(fā)的基于非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的熱流體分析軟件，廣泛應(yīng)用于汽車、機械、電氣、精密設(shè)備、水利、國防、環(huán)境等領(lǐng)域。從1998年開始到現(xiàn)在全球已經(jīng)有上千家用戶，在日本有30%的市場份額，幾乎所有的日本韓國各大公司都是scFLOW軟件的用戶。scFLOW 使用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格以控制體積法（FVM）為基礎(chǔ)開發(fā)而成，其功能全面，適用性廣，將不同領(lǐng)域的計算軟件特點結(jié)合起來，成為CFD計算機軟件群，即集建模、 劃分網(wǎng)格、求解、后處理所有功能集成為一體的（All-in-one）熱流體分析系統(tǒng)，該軟件徹底地改變了過去的CFD軟件產(chǎn)品在“速度”、“簡潔化”和“價格”方面的形象，其強大的網(wǎng)格劃分能力，豐富的物理模型，計算低內(nèi)存消耗，高性能計算速度和精度，基于尖端技術(shù)開發(fā)的豐富生動的可視化技術(shù)已被眾多用戶所認(rèn)可。 

圖 2 基于 scFLOW 的 CFD 分析

FFT（MSC子公司）旗下的Actran是國內(nèi)外通用的聲學(xué)模擬軟件，由于精細(xì)的建模方法，便捷的操作流程及精準(zhǔn)的計算精度被廣大用戶所接納。Actran主要基于聲學(xué)有限元求解各類聲學(xué)問題，同時包含聲學(xué)無限元、完美匹配層、間斷伽遼金（DGM）、統(tǒng)計能量方法（新版本）等多類方法，可用來求解范圍廣泛的振動噪聲與氣動噪聲問題。Actran便捷易操作的前后處理界面也是一大亮點。近年來，由于Actran在氣動噪聲的優(yōu)異表現(xiàn)，如汽車風(fēng)噪聲、風(fēng)機類旋轉(zhuǎn)機械噪聲、航空發(fā)動機噪聲等方面的卓越表現(xiàn)，已經(jīng)逐步成為產(chǎn)品開發(fā)的仿真工具。 

圖 3  Actran 聲學(xué)仿真典型問題

2. 氣動噪聲計算的挑戰(zhàn) 

眾所周知，氣動噪聲中聲壓只是流體壓力中很小的一部分。拿汽車風(fēng)噪聲舉例，100km/h行駛速度的轎車，動壓約為500Pa，而聲壓僅為0.11Pa（75dB）；可想而知，我們在通過CFD直接計算氣動噪聲時，如同在波濤洶涌的海面（動壓）上辨別投石引起的波浪（聲壓），困難較大，通常我們采用流體（CFD）+聲學(xué)（Acoustic）聯(lián)合仿真的方式。

圖 4  汽車風(fēng)噪及相關(guān)示意圖

氣動噪聲源采用聲類比方法提取，這要基于一個重要的假設(shè)：湍流流動引發(fā)聲學(xué)場，但是聲學(xué)場對流體沒有反饋的影響，如下圖所示：

圖  流場與聲場的作用關(guān)系

正如前面介紹的，聲場中的聲壓脈動相對于流體里面的壓力脈動是很小的一個量。這個假設(shè)對于幾乎所有的氣動噪聲源都是有效的。上述的假設(shè)提出后，就可以用兩個步驟來計算氣動噪聲： 

第1步：計算不穩(wěn)定流場，此時不關(guān)心聲傳播。這是在CFD求解器中完成的； 

第2步：計算氣動噪聲源及其傳播過程。這是在Actran中完成的；除此之外，目前scFLOW可以直接在內(nèi)部調(diào)用Actran求解器。 

在Actran中可以使用兩種不同的聲類比方法：Lighthill聲類比，適用于低馬赫數(shù)（Ma<0.3）氣動噪聲；m?hring聲類比，適用于更高的馬赫數(shù)（ma>0.3）。Lighthill聲類比和M?hring聲類比都基于CFD中的N-S方程和連續(xù)性方程推導(dǎo)獲得，Lighthill聲類比方法無法考慮流體流動對聲傳播的影響，所以僅能近似用于低馬赫數(shù)氣動噪聲計算。 

在氣動噪聲計算過程中所有相鄰的CFD單元的結(jié)果都能映射到聲學(xué)網(wǎng)格節(jié)點，如下圖所示；這種方法不需要對聲源區(qū)域的聲學(xué)網(wǎng)格進行細(xì)化就能保證計算非常準(zhǔn)確，因為它使用了CFD網(wǎng)格中包含的所有信息。氣動聲源被映射到聲學(xué)網(wǎng)格上，就可以運行Actran計算。Actran的計算不局限于簡單的聲傳播，還可以通過復(fù)雜的傳播路徑來計算空氣聲學(xué)源的聲學(xué)傳播，如可以增加吸收材料或穿孔板，可以計算由氣動聲源引起的結(jié)構(gòu)的振動等等。

圖 5  信息映射過程及聲傳播

圖 6  混合方法求解空調(diào)管道氣動噪聲

    如上圖所示，韓松系統(tǒng)（Hanon systems）采用混合方法來計算空調(diào)管道氣動噪聲，并發(fā)表在SAE國際大會上。研究的案例是一個汽車空調(diào)管道，空氣通過前端系統(tǒng)注入，一個麥克風(fēng)位于管道前方，以記錄噪聲大小。為了重現(xiàn)這個實驗，工程師進行瞬態(tài)CFD計算，然后建立Actran模型求解氣動噪聲。計算完畢可以得到Lighthill聲源分布，聲場分布云圖及監(jiān)測點聲壓級頻譜與實驗的對比結(jié)果。使用混合方法計算的結(jié)果與實驗結(jié)果非常匹配，這一結(jié)果使韓松系統(tǒng)（Hanon systems）工程師確信該方法很適合預(yù)測氣動噪聲。 

3.  “scFLOW2Actran”氣動聲學(xué)包概覽 

   CFD分析軟件的界面和聲學(xué)分析軟件的界面有些許差異，為了解決流體工程師在氣動聲學(xué)部分的使用習(xí)慣問題，我們推出“scFLOW2Actran”氣動聲學(xué)包，能夠?qū)崿F(xiàn)聲流耦合分析流程和操作上的無縫銜接。實現(xiàn)了在CFD軟件scFLOW中進行氣動聲學(xué)的全面分析，不僅能夠計算出聲源，還能夠考慮流動噪聲的產(chǎn)生和傳播。也就是說整個氣動聲學(xué)的解析流程，全部在scFLOW中進行，不必打開Actran界面?！皊cFLOW2Actran”氣動聲學(xué)包的執(zhí)行機制如下：
（1）通過scFLOW計算聲源，為Actran計算提供數(shù)據(jù)支持。①Actran讀取scFLOW的結(jié)果文件（ FPH ）。②不僅支持非穩(wěn)態(tài)計算，也支持穩(wěn)態(tài)計算。
（2）Actran的求解設(shè)定，網(wǎng)格劃分可以在scFLOW界面中進行。
（3）Actran的求解可以在scFLOW界面中調(diào)用。 ① 流體計算，數(shù)據(jù)交互，聲學(xué)計算在scFLOW求解界面中進行。
（4）Actran的結(jié)果（h5）可以在scFLOW后處理中可視化。
4. “scFLOW2Actran”氣動聲學(xué)包解析流程 （1） “scFLOW2Actran”的氣動聲學(xué)解析流程。

圖 7 非穩(wěn)態(tài)氣動聲學(xué)解析流程

在非穩(wěn)態(tài)解析流程中，Actran ICFD與scFLOWsolver同時執(zhí)行。 ? 

Actran ICFD從流動解析中提取聲源信息，并傳遞給Actran。 ? 

傳遞結(jié)束后可自動刪除流體結(jié)果以節(jié)約硬盤空間。 在穩(wěn)態(tài)分析中，scFLOWsolver和ActranI ICFD是相繼執(zhí)行的。
（2）scFLOW中關(guān)于“scFLOW2Actran”的設(shè)定界面 

雖然設(shè)定界面都在scFLOW中進行，但聲學(xué)相關(guān)的數(shù)據(jù)格式還是Actran相關(guān)的數(shù)據(jù)格式，CFD相關(guān)的數(shù)據(jù)格式還是scFLOW相關(guān)的數(shù)據(jù)格式。只將流程整合，網(wǎng)格和求解功能還是分別在各自的“內(nèi)核”中實現(xiàn)。

圖 8 CFD 分析和聲學(xué)分析相關(guān)的文件格式

在scFLOW中進行氣動聲學(xué)解析時，需要在 [Environment Settings] - [Project Configuration] - [Project Type], 選擇相關(guān)的“session”。 

流體解析：[scFLOW2Actran : Fluid Session] 

聲學(xué)解析：[scFLOW2Actran : Acoustic Session]

圖 9 scFLOW 中流體和聲學(xué)模塊的選擇

聲學(xué)的求解設(shè)定也在scFLOW中實現(xiàn)，以下展示scFLOW中聲學(xué)的設(shè)定界面。

圖 10 scFLOW 中聲學(xué)設(shè)定界面

當(dāng)選擇acoustic session中的[conditions]時，界面展示聲學(xué)相關(guān)的條件設(shè)定。包含以下設(shè)定： ? 

流體解析數(shù)據(jù)傳遞相關(guān)設(shè)定及材料設(shè)定（Basic Setting） ? 

面區(qū)域的無反射邊界條件設(shè)定（Boundary Condition） ? 

聲學(xué)解析結(jié)果的輸出設(shè)定（Output Setting of Analysis Data） ? 

聲學(xué)解析輸入和輸出相關(guān)文件的名稱（File Name）
需要分別輸出流體的聲學(xué)相關(guān)的數(shù)據(jù)文件。輸出界面和相關(guān)格式如下圖所示。

圖 11 文件輸出界面

將fluid session部分輸出的CMB文件拖入scFLOW的求解監(jiān)控器并執(zhí)行，監(jiān)控器將調(diào)用 流體和聲學(xué)的求解器進行相關(guān)求解，但求解監(jiān)控曲線全部在scFLOW的監(jiān)控器中顯示。

圖 12 聲學(xué)和流體求解的監(jiān)控

（3） “scFLOW2Actran”的聲學(xué)網(wǎng)格和聲學(xué)后處理
“scFLOW2Actran”模塊的核心是將Actran的氣動聲學(xué)功能集成在scFLOW的界面中， scFLOW前處理可以為Actran劃分聲學(xué)網(wǎng)格，如下圖所示。

圖 13 scFLOW 為 Actran 劃分聲學(xué)網(wǎng)格

       同時，可以用scFLOW的后處理對Actran的結(jié)果進行后處理。將(* H5)格式的數(shù)據(jù)讀入到scFLOW的后處理器中，展示聲波的傳播過程，如下圖所示。

圖 14 scFLOW 后處理展示聲波的傳播

5. 應(yīng)用實例：基于“scFLOW2Actran” 的HVAC系統(tǒng)氣動噪聲解析
我們將在?？怂箍荡髮W(xué)的視頻公開課中，以HVAC系統(tǒng)的氣動噪聲解析為例，向大家展示如何在scFLOW界面中，實現(xiàn)全面的氣動聲學(xué)分析（聲源和聲輻射） 。

圖 15 基于“scFLOW2Actran” 的 HVAC 系統(tǒng)氣動噪聲解析