声学模态分析

Simcenter STAR-CCM+ 提供了声学模态分析模型，用于仿真声学模态形状、频率和线性增长率。

声学压力波在非稳态流中生成，例如，在湍流壁面边界处、剪切层中和涡流脱落区域中。这些声学压力波具有不同的幅值和频率。

它们从其在几何内的源传播出去，并可以从边界反射回域内。

当声学压力波与表面碰撞时，波可能完全反射，也可能衰减且幅值降低。

在封闭或部分封闭域内，压力波可能碰撞并且其幅值会重新受力，这会导致域的固有频率处压力波固定。

通常，会激励最低频率驻波。

这种声学压力波可能变得不稳定（例如，在存在非稳态放热的燃烧中），并且可能导致结构损坏。

声学模态是几何的固有频率，表示驻（幅值恒定）声波。

Simcenter STAR-CCM+ 中的声学模态求解器用于预测这些驻波形状、频率和线性稳定性。

下图显示了在 Simcenter STAR-CCM+ 中通过共鸣箱几何模拟的声学模态形状的示例。尺度显示介于 0.0（蓝色）到 1.0（红色）之间的已标准化声学压力：

除了模态形状和频率之外，Simcenter STAR-CCM+ 还会预测线性增长率（波是衰减并变得稳定，还是放大而变得不稳定）。

根据瑞利准则，如果几何（例如，在燃烧中）放热，且非稳态放热与声学压力波同相，则声学压力波也可以放大，从而导致热声不稳定。

Simcenter STAR-CCM+ 中的声学模态分析模型使用 n-tau 模型对非稳态放热率如何影响声学压力进行建模。n-tau 模型是时间延迟模型，其中非稳态放热对局部压力的影响建模为与延迟一定时间（表示 tau）的放热（按因子 n）成比例。例如，热声不稳定的常见机制是火焰处的非稳态放热，此时生成的声波向上游传播至燃料供应并导致燃料流率发生变化。这会导致当量比发生变化，从而向下游对流至火焰区域，并导致放热振荡，该循环不断重复。在这种情况下，时间延迟指从入口到火焰的对流时间。

大多数封闭燃烧设备中都存在热声不稳定性，不受控制的不稳定性对大多数设备都不利。通过识别导致不稳定模态的操作条件，可以修改几何或更改操作条件，以防出现不受控制的不稳定性。