【声学案例】01：CAA计算

本教程利用Fluent中的计算声学（CAA）模块仿真计算轴对称超音速射流引起的噪声辐射问题。翻译自Fluent官方提供的案例。

本教程展示了以下操作：

• 利用Realizable k-epsilon湍流模型模拟稳态超音速射流

• 计算瞬态流场及近场声场

• 保存近场声学数据以进行下一步的谱分析

• 流场及声场结果后处理

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问题描述

本案例要计算的模型如下图所示。

射流从直径1‘’的喷嘴以1.2马赫的速度进入计算区域。喷嘴出口区域厚度为0.625‘’，喷嘴几何及流动条件取自参考文献。

参考文献：

Ponton, M. K., and Seiner, J. M., “The Effect of Nozzle Exit Lip Thickness on Plume resonance,” Journal of Sound and Vibration, Vol. 154, Issue 3, 1992, pp. 531-549

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Fluent稳态计算设置

本案例网格由外部导入。

• 启动Fluent，激活2D选项及Double Precision选项，开启并行计算模式

注意：

本案例计算资源消耗较大，单核CPU计算可能需要几十个小时，因此建议开启并行计算。

2.1 导入网格

• 选择菜单File > Read > Mesh...，在弹出的文件选择对话框中选择网格文件mesh-caa-screech.msh.gz

• 双击模型树节点General，点击Scale...按钮弹出网格缩放对话框

• 设置Mesh Was Create In下拉列表项in，点击Scale按钮缩放网格

• 点击Close按钮关闭对话框

提醒：

案例中的网格采用的是四边形-三角形混合网格。对于声学计算模拟，通常需要比流场计算更加细密的网格。

2.2 General设置

• 双击模型树节点General，右侧面板中选中选项Axisymmetric

注：

本案例采用的是轴对称模型

2.3 Models设置

• 鼠标右键选中模型树节点Models > Energy，弹出的菜单中选中菜单项On激活能量方程

• 双击模型树节点Models > Viscous，弹出湍流模型设置对话框

• 选择使用Realizable k-epsilon湍流模型，并修改模型常数，如下图所示

注：

模型常数采自参考文献：Thies, A., and Tam, C. K. W., “Computation of Turbulent Axisymmetric and Nonaxisymmetric Jet Flows Using the K- model,” AIAA Journal, Vol. 34, No. 2, 1996, pp. 309-316.

2.4 Materials设置

• 双击模型树节点Materials > Fluid > air弹出模型设置对话框

• 修改Density为ideal-gas

• 修改Viscosity为sutherland，并选择采用Three Coefficient Method方法，利用默认参数

• 点击OK按钮及Change/Create按钮修改材料

2.5 Cell Zone Conditions

• 鼠标双击模型树节点Cell Zone Conditions > air-lam启动区域设置对话框

• 激活选项Laminar Zone以指定该区域为层流区域

• 点击OK按钮关闭对话框

注：

指定喷口附近很小的区域为层流区域，对于增强激发混合层不稳定波动很有帮助。（这里我不知道怎么翻译，原文是This is necessary to augment excitation of mixing layer instability waves.）

• 鼠标双击模型树节点Cell Zone Conditions，右侧面板中点击按钮Operating Conditions弹出操作条件设置对话框

• 设置Operating Pressure为0，点击OK按钮关闭对话框

2.6 Boundary Conditions设置

1、inlet设置

• 鼠标双击模型树节点Boundary Conditions > inlet弹出入口边界设置对话框

• 在对话框中Momentum标签页中设置Gauge Total Pressure为242496.5 Pa，设置Supersonic/Initial Gauge Pressure为127360 Pa，病设置湍流强度为1.0%，水力直径为0.0254 m，如图所示

• 点击OK按钮关闭对话框

2、Far-Field边界设置

• 鼠标双击模型树节点Boundary Conditions > Far-Field弹出出口边界设置对话框

• 设置Gauge Pressure为100000 Pa

• 其他参数按下图所示设置，点击OK按钮关闭对话框

3、wall-back设置

• 鼠标双击模型树节点Boundary Conditions > wall-back弹出壁面设置对话框

• 设置Shear Condition为Specified Shear，并指定两个方向的剪切应力均为0

• 点击OK按钮关闭对话框

注：这里采用剪切应力为0的条件，意味着使用的是滑移条件。

4、其他边界条件

其他边界条件采用边界复制的方式进行设置。

• 鼠标双击模型树节点Boundary Conditions，点击右侧面板按钮Copy...弹出边界复制对话框

• 如下图所示，将wall-back边界条件拷贝到mic1、mic2、wall-lip、wall-lip-lam

• 点击Copy按钮进行边界条件拷贝

• 点击Close按钮关闭对话框

2.7 Methods设置

• 鼠标双击模型树节点Solution > Methods

• 右侧面板中设置Pressure-Velocity Coupling Scheme 为Coupled

• 设置Gradient为Green-Gauss Node Based

• 设置Pressure为Second Order，其他选项为QUICK格式

2.8 Controls设置

• 鼠标双击模型树节点Solution > Controls，右侧面板进行参数设置

• 设置Flow Courant Number为50

• 设置Explicit Relaxation Factors均为0.25

• 按下图所示设置Under-Relaxation Factors

2.9 Initialization

• 鼠标双击模型树节点Solution > Initialization

• 如下图所示设置右侧面板参数

• Tui窗口输入命令solve/initialize/set-fmg-initialization设置fmg初始化参数，如下图所示

• TUI窗口输入命令/solve/initialize/fmg-initialization进行fmg初始化

初始化完毕后可以查看一下速度云图，如下图所示。

2.10 Run Calculation

• 鼠标双击模型树节点Run Calculation

• 右侧面板设置Number of Iterations为200

• 点击按钮Calculate进行计算

注：

200步计算并未达到收敛。然而这只是为后续的瞬态计算提供一个初始场，并不要求计算完全收敛。

计算完毕后可以查看一下马赫数云图分布，如下图所示。

• 保存cas与dat文件

（未完接下篇）

本篇文章来源于微信公众号: CFD之道