【声学案例】02：FWH方法

本案例演示利用ANSYS Fluent中的大涡模拟与噪声模型计算绕经2D圆柱体的湍流流场以及由流场引起的气动噪声。

本教程主要演示以下操作：

二维大涡模拟计算设置
气动声学计算设置
为声学计算保存声源数据
计算声压信号
声学结果后处理

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问题描述

本案例考虑的问题如下图所示。2D矩形计算域中包含一个直径1.9cm的圆柱体，上游来流速度为69.2 m/s，流场雷诺数为90000。圆柱上游长度为5D，下游长度为20D。

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Fluent设置

以2D、Double Precision形式启动Fluent

2.1 网格准备

本案例网格采用外部导入形式加载。

选择菜单File → Read → Mesh…读取网格文件cylinder2d.msh.gz
双击模型树节点General，右侧面板点击按钮Check确保计算网格完整
点击Display按钮查看网格，如下图所示

说明：

大涡模拟常采用四边形网格（六面体网格），因为其产生的数值扩散要更小。同时划分的网格应足够小，以能够捕捉到相关的湍流长度尺度，同时使得数值误差小于亚格子尺度湍流粘度。出于计算时间上的考虑，本案例的网格较为粗糙，在实际计算过程中，圆柱壁面附近的网格应该划分得更加细密。

2.2 General设置

双击模型树节点General
选择选项Transient启动瞬态计算

2.3 Models设置

默认情况下2D几何模型是无法激活大涡模拟的，此时需要通过TUI命令将其激活。此命令为：

(rpsetvar 'les-2d? #t)

如下图所示，即可激活2D几何下的LES模型。

鼠标双击模型树节点Models > Viscous弹出湍流模型选择对话框，如下图所示，选择Large Eddy Simulation，子模型选择Smagorinsky-Lilly，模型参数保持默认，点击OK按钮关闭对话框

提示：

对于声学模拟，一般情况下建议使用LES模型

2.4 Boundary Conditions

1、inlet边界设置

鼠标双击模型树节点Boundary Conditions > inlet弹出边界设置对话框
设置Velocity Magnitude为69.2 m/s
点击OK按钮关闭对话框

2、outlet设置

鼠标双击模型树节点Boundary Conditions > inlet弹出边界设置对话框
保持默认参数设置，点击OK按钮关闭对话框

2.5 Methods设置

鼠标双击模型树节点Solution > Methods
右侧面板中激活选项Non-Iterative Time Advancement
设置Pressure-Velocity Coupling Scheme为Fractional Step
设置Transient Formulation为Second Order Implicit

2.6 Controls设置

鼠标双击模型树节点Solution > Controls
右侧面板设置Pressure为0.7
其他参数保持默认设置

2.7 Initialization

鼠标双击模型树节点Initialization
右侧面板激活选项Standard Initialization
选择Compute from为inlet
点击按钮Initialize进行初始化

2.8 Monitors

鼠标双击模型树节点Solution > Monitors > Residual弹出残差监测对话框
设置Iterations to Plot为20
设置Iterations to Store为10000
点击OK按钮关闭对话框

2.9 Run Calculation

双击模型树节点Run Calculation
右侧面板设置Time Step Size为5e-6 s，设置Number of Time Steps为20
点击按钮Calculate进行计算

说明：

大涡模拟中所需的时间步长取决于所要求解的流体涡的最小时间尺度，通常需要使当地CFL数接近于1。然而在开始计算之前，通常难易获取到合适的时间步长。因此在开始计算之后，往往还需要对时间步长进行调整。对于给定的时间步长Δt，声学分析最高频率为f=1/(2Δt)。在本案例中，最大频率为100 kHz，由此可得时间步长约为5e-6s。

2.10 设置圆柱体升阻力监测

1、阻力监测