气动声学模拟

气动声学主要研究空气动力学所产生的声音。

现代气动声学科学是由James Lighthill爵士于20世纪50年代开启的，其导出了一个用于估计湍流辐射声音强度的理论。而在此之前，流致噪声的研究主要集中在流体脉动频率与发出声音之间的关系上。

Strouhal通过定量观测，引入了无量纲频率-Strouhal数，在数学上将风成音的频率与流动参数联系起来。Rayleigh将Strouhal数与流动雷诺数联系起来，并进一步认识到，最强烈的声音发射方向与导线上脉动力的方向一致。

1952年，Lighthill^[1]建立了研究气动噪声时通常参考的理论背景，其首先引入了气动声学类比的概念，即用等效的噪声源系统替代产生噪声的实际流场。噪声源作用于使用标准声传播方程控制的均匀滞止流体，因此噪声源的气动特性成为噪声预测的主要问题。

1955年，Curle^[2]扩展了Lighthill提出的概念，考虑了流体相互作用对声音产生的影响。1969年，Ffowcs Williams和Hawkings^[3]扩展了Lighthill的声类比理论，可以考虑任意的表面运动，使该方法可用于转子叶片的气动噪声预测，如直升机和透平机械行业中的噪声预测。

存在固体结构时的声音产生的主要机制可归结为以下三种类型^[4]：

• 涡脱落噪声。流场中的钝体产生涡。物体上时变循环的涡脱落产生脉动力，其被传递到流体中作为声音传播。
• 湍流-结构相互作用噪声。冲击物体表面的旋结构在结构表面产生局部压力脉动，从而产生远场声场。
• 后缘噪声。由于边界层不稳定性与物体表面边缘的相互作用而产生的噪声。这种噪声对所有旋转叶片技术都很重要。

在目前的工程实践中，常采用非定常可压缩Navier-Stokes方程计算剪切流和自由剪切流。然而对于那些声能比水动力场能量小许多数量级的模拟，声场求解仍然具有挑战性。利用Navier-Stokes方程直接求解声音传播包含四个困难^[5]：

• 声场区域常比流场区域大
• 声场包含的能量常比流场小
• 数值离散误差可能成为比模拟的流场更重要的噪声源
• 在距离声源区域有限的人工计算边界处，施加适用于远场声学的自由空间边界条件较为困难

STAR-CCM+中提供了以下模型用于声学模拟：

• Acoustic Wave
• Lighthill Wave
• Perturbed Convective Wave
• Direct Noise Simulation
• Ffowcs Williams-Hawkings
• Lighthill Stress Tensor

这些声学模型既可用于气动声学模拟，也可用于水声学模拟。

参考文献