扰动对流波模型

扰动对流波模型是一种混合声学模型,使用波方程计算不可压缩流体流中的声音生成和传播。此波方程用于求解声势,然后基于该声势推导声学压力、声速或声学密度等声学物理量。

扰动对流波模型基于由 Seo 和 Moon [914] 提出的线性扰动可压缩方程 (LPCE) 并由 Piepiorka 和 Von Estorff [908] 重新制定。假设不可压缩流体流和恒定声速,声势 ϕ a 的波方程定义如下:

图 1. EQUATION_DISPLAY
D 2 ϕ a D t 2 − c 0 2 Δ ( ϕ a + τ ∂ ϕ a ∂ t ) − 1 ρ ∇ ϕ a ⋅ ∇ p i n c f = − 1 ρ D p i n c f D t + S ϕ a
(4735)

其中:

  • c 0 为声速。
  • t 为时间。
  • ρ 为密度。
  • p i n c f 为不可压缩压力波动。
  • S ϕ a 为用户自定义噪声源。

τ 为噪声源阻尼项,被定义为:

图 2. EQUATION_DISPLAY
τ = b d Δ x π c 0
(4736)

其中:

  • b d 为声阻尼系数。
  • Δ x = V 3 其中, V 为网格单元体积。

随体(全)导数 D D t 基于流速 v 定义如下:

图 3. EQUATION_DISPLAY
D D t = ∂ ∂ t + v ⋅ ∇
(4737)

声学压力 p a 、声学密度 ρ a 和声速 v a 基于声势推导如下:

图 4. EQUATION_DISPLAY
p a = ρ D ϕ a D t
(4738)
图 5. EQUATION_DISPLAY
ρ a = p a c 0 2 + ρ
(4739)
图 6. EQUATION_DISPLAY
v a = − ∇ ϕ a
(4740)

边界条件

根据边界上的声学指定,以下边界条件适用于 ϕ a :
非反射
借助非反射边界条件,声势可在不产生任何虚假反射的情况下穿过边界离开域。
边界处的声势梯度给定如下:
图 7. EQUATION_DISPLAY
∇ ϕ a ⋅ a f = c 0 − v ⋅ a f c 0 2 − ‖ a f ‖ 2 ∂ ϕ a ∂ t
(4741)
其中 a f 为面法向面积, ‖ a f ‖ 为其幅值。
反射
对于反射边界,将施加诺伊曼边界条件。对于正在移动的反射壁面,声势还受以下约束:
图 8. EQUATION_DISPLAY
∇ ϕ a = − v w a l l ⋅ a f
(4742)
其中, v w a l l 为壁面的速度。
指定 ϕ a
施加 ϕ a 的指定值的狄利利克边界条件。

纽马克 α 法

纽马克- α 方法使用 Hilber-Hughes-Taylor- α (HHT- α ) 方案将声势时间导数表示如下:

图 9. EQUATION_DISPLAY
1 c 0 2 ∫ V ( ∂ 2 ϕ a ∂ t 2 ) n + 1 d V − ( 1 + α ) ∫ s ∇ [ ( ϕ a ) n + 1 − τ ( ∂ ϕ a ∂ t ) n + 1 ] ⋅ a ⁢   d s = ∫ V [ ( 1 + α ) ( ∇⋅ ∇ p i n c f ) n + 1 − α ( ∇⋅ ∇ p i n c f ) n ] d V − α ∫ s ∇ [ ( ϕ a ) n − τ ( ∂ ϕ a ∂ t ) n ] ⋅ a d s
(4743)

其中, α 是纽马克 α 参数。