气动声学

气动声学研究声音的空气动力生成过程。

现代气动声学科学于 20 世纪 50 年代由 James Lighthill 爵士提出，他推导出了估算从湍流中辐射的声音强度的理论。在此之前，流体产生的噪声研究侧重于流体波动的频率和发出的声音之间的关系。

风吹声的频率在数学上与斯特罗哈提出的流参数相关，斯特罗哈根据定量观测的结果，引出了无量纲频率 - 斯特罗哈数。瑞利勋爵将斯特罗哈数与流体雷诺数关联，并进一步认识到发出的声音强度最大的方向与线束上波动力的方向一致。

1952 年，Lighthill 构建了在研究空气动力噪声时通常所参考的理论背景 [69]。Lighthill 首先介绍了气动声学类比的概念，其中包括使用等效的噪声源系统来替代负责产生噪声的实际流场。噪声源作用于使用标准声音传播方程控制的统一停滞流。然后，源的空气动力特征成为噪声预测中的主要问题。

1955 年，Curle [51] 进一步扩展了 Lighthill 提出的概念，其中包括流体相互作用对声音产生的影响。1969 年，Ffowcs Williams 和 Hawkings [58] 进一步扩展了 Lighthill 提出的类比，将任意表面运动考虑在内。此公式可用于转子叶片空气动力学中的噪声预测，例如，直升机和涡轮机工业（[46] 和 [54]）。

如果存在固体结构，声音产生的主要机制可归类为 [83]：

  • 涡流脱落噪声

    从流体中的钝体释放的涡旋。因涡流脱落引起的体上的时间变化循环会在体本身上产生波动力，该波动力将传递到流体并作为声音传播。

  • 湍流结构相互作用噪声

    碰撞在固体表面上的涡旋结构在进给远程声场的体表面上产生局部压力波动。

  • 尾缘噪声

    因边界层不稳定性与表面边的相互作用，此类型的噪声对于所有旋转叶片技术非常重要。

在目前的工程实践中，使用非稳态可压缩纳维-斯托克斯方程将按常规计算剪切和自由剪切流。但是，对于声能比流体动力场的能量小多个数量级的模拟，其声场求解仍然极具挑战性。使用纳维-斯托克斯计算（来自 [38]）直接对声波求解时，存在四大难点源：

  • 声场大于流场。
  • 声场的能量范围小于流场的能量范围。
  • 数值离散可以充当比模拟的流场更重要的声源。
  • 在距离源区域有限距离的人工计算边界处，施加适用于远场中声学的自由空间边界条件时存在难点。

人工边界必须适当，以确保声波不反射，而且特定区域中也可以提供空气动力场的流入和流出。

Simcenter STAR-CCM+ 为模拟液体和气体中的声学提供了一种模型选择。

到目前为止，业界的主要关注点仍在气动声学，研究气体流与表面相互作用时产生的噪声。但是，Simcenter STAR-CCM+ 还可用于对水力声学建模，研究噪声在水中的传播。

Simcenter STAR-CCM+ 中包含以下常规类型的声学模型：

注使用双精度版 Simcenter STAR-CCM+ 进行所有气动声学分析。有关详细信息，请参考气动声学准则一节。