气动声学

计算气动声学 (CAA) 是多物理场建模和模拟的一个分支，其中涉及识别由流体流引发的噪声源和随后所产生声波的传播。

噪声源来自各种类型的流，例如：

• 固体湍流（钝体流）
• 湍流边界层流（例如，汽车、飞机部件）
• 高速湍流剪切流（例如，自由射流）
• 高速碰撞流（例如，射流碰撞、火箭排气噪声）
• 由流体流引发的结构振动（流体结构相互作用）
• 高速旋转流（例如，旋翼飞机或涡轮机）
• 湍流燃烧（反应流体）
• 冲击波（爆炸）

典型 CAA 模拟需要以下组件：

• 流体流纳维-斯托克斯方程

• 高分辨率湍流模型

• 分析或计算声波传播模型

相关位置处的噪声特征具有对应的噪声谱，即，在一定频率范围内的声压级强度。 噪声特性既可以是在某个频率达到明显峰值的纯音噪声（例如，发动机噪声、射流碰撞噪声或噪声、振动与声振粗糙度 (NVH)），也可以是分布在一定频率范围内的宽带噪声（湍流诱导噪声的典型特征）。

声压级（SPL 以分贝 (dB) 为测量单位）

其中：

• $p_{rms}=$ 均方根声压
• $p_{ref}=$ 参考压力（通常为 20 µPa）

噪声产生机制因流的基础物理而异。 使用计算方法对噪声产生进行建模时，必须捕捉与声学分析相关的噪声源和频率。 噪声源的分辨率取决于湍流建模的保真度。

Simcenter STAR-CCM+ 中的计算气动声学方法面向以下应用：

通过大涡模拟 (LES) 或分离涡模拟 (DES) 预测近场噪声

尽管 LES 和 DES 模拟可以预测近场中产生的噪声，但它们通常不适合预测传播到远场位置的噪声。 产生噪声的流波动比水动力流属性小多个数量级。 没有足够的网格分辨率时，声波将迅速耗散，远离源区域。 在远距离保留此声学特征所需的网格密度将限制纯 CFD 在实际应用中的可行性。

采用适当的混合 CFD/CAA 方法，分开考虑噪声产生和传播现象更具实际意义。 使用这种方法，LES 或 DES 与噪声传播气动声学模型（单向）耦合。

通过声波方程、线性欧拉方程 (LEE) 或声扰动方程 (APE) 预测中场噪声（请参见声波模型）

高保真度 LES/DES 可与其他基于网格的精确 CAA 方法相结合（通常需要高阶空间和时间离散化），例如，线性欧拉方程 (LEE) 或声扰动方程 (APE)，但无一不需要极端的计算量。

通过 Ffowcs Williams-Hawkings (FWH) 方程预测远场噪声（请参见 Ffowcs Williams-Hawkings 模型）

Ffowcs Williams-Hawkings 方程考虑噪声源的所有基本组分（单极、偶极和四极）。 表面积分法（例如，FWH 方法的表面积分法）是在远场中传播噪声的实用方法，能够在封闭表面上叠加所有噪声源并通过表面积分方程的精确无网格分析求解提供声学特征。

Simcenter STAR-CCM+ 中的噪声传播模型基于 Lighthill 方程 Eqn. (4705)[901]、Curle 方程和 Ffowcs Williams-Hawkings (FWH) 方程。 Lighthill 方程从纳维-斯托克斯方程和一些基本假设中衍生声场，包含湍流四极噪声源定义。 Simcenter STAR-CCM+ 仅将 LEE 和 Curle 方程用于噪声源建模，而不用于声波建模 (LEE) 或传播 (Curle)。

FWH 方法基于自由空间中的声音传播假设，因此无法计算传播区域中的任何嵌入结构。 另一方面，通过边界积分方程求解亥姆霍兹方程（频率域中的波方程）的边界单元法 (BEM) 可以为嵌入结构提供声场解。 请参见 [882]、[886]、[913]。