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之前我們做了一個(gè)案例，圓柱繞流的斯特勞哈爾數(shù)求解,，感興趣的讀者可以閱讀歷史推文,。今天，我們在該案例的基礎(chǔ)上繼續(xù)開展圓柱繞流噪聲的模擬,。 圓柱繞流噪聲現(xiàn)象是基本聲源的疊加,。流體與圓柱壁面產(chǎn)生劇烈的相互作用，引起圓柱的振動(dòng),，由于振動(dòng)非定常地排開空氣,，是單極子聲源；當(dāng)圓柱一表面脫落渦時(shí),，會產(chǎn)生一個(gè)負(fù)壓脈沖，在另一個(gè)表面相應(yīng)地會產(chǎn)生一個(gè)正壓脈沖,，這樣交替的漩渦脫落,，就產(chǎn)生交替的正負(fù)壓力脈動(dòng)，即圓柱壁面產(chǎn)生對聲媒介的劇烈變化的非定常力,，這是典型的偶極子聲源,；另外，圓柱表面的脫落渦會產(chǎn)生湍流應(yīng)力,，即 Lighthill 應(yīng)力張量,，這是四極子聲源。 建立如下的二維計(jì)算域,，其中圓柱的直徑D=19mm,，注意建模時(shí)將圓柱中心落在坐標(biāo)原點(diǎn)，方便后續(xù)聲源測量點(diǎn)的設(shè)置,。劃分四邊形非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,，對圓柱周圍及下游進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化（圓柱面邊界層首層網(wǎng)格高度0.0019mm，增長率1.15）,，以更為精確的捕捉邊界層分離和渦結(jié)構(gòu),。 本案例采用聲類比法模擬噪聲，聲類比法將波動(dòng)方程和流動(dòng)方程解耦,，在近場流動(dòng)解析采用適當(dāng)?shù)目刂品匠瘫热鏡ANS,、DES或LES模擬等方法,，然后把求解的結(jié)果作為噪聲源，通過求解波動(dòng)方程得到解析解,，這樣就把流動(dòng)求解從聲學(xué)分析中分離出來,。注意采用該方法，在進(jìn)行噪聲求解時(shí),，需要先獲得“統(tǒng)計(jì)穩(wěn)態(tài)”的流場,，近場流場計(jì)算精度決定了遠(yuǎn)場聲場的計(jì)算。在圓柱繞流的斯特勞哈爾數(shù)求解案例中,，我們已經(jīng)獲得了統(tǒng)計(jì)穩(wěn)態(tài)解,，在此結(jié)果上開展聲學(xué)計(jì)算。 啟動(dòng)FW-H聲學(xué)模型,，注意我們設(shè)置source correlation length為5D,，在二維噪聲模擬中，需要設(shè)置該參數(shù),，三維則不需要,。我們將聲壓數(shù)據(jù)保存在ASD格式文件中，方便后續(xù)的處理,。 創(chuàng)建聲源面為圓柱面,，并設(shè)置聲源數(shù)據(jù)包的寫入頻率和數(shù)據(jù)大小。 我們先創(chuàng)建聲壓測量點(diǎn)1（0,-0.665）和測量點(diǎn)2（0,-2.432）,，并計(jì)算這兩點(diǎn)的聲壓,，進(jìn)行傅里葉變換。 測量點(diǎn)1和測量點(diǎn)2的聲壓頻率曲線分別如下,，兩個(gè)測量點(diǎn)的總聲壓（OASPL）分別為113.6dB和102.3dB,，參考文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)測量值分別為117dB和100dB。 接下來,，我們以圓柱為中心,，求解半徑為0.665m的圓周上各點(diǎn)的聲壓值，一共16個(gè)點(diǎn),，每個(gè)點(diǎn)間隔22.5°,，各點(diǎn)的聲壓分布如下圖，可以聲場具有對稱性,，且在橫向兩側(cè)的聲壓最高,。下圖通過matlab作圖，源代碼如下 clcclearSPL=[108.2500 109.7000 111.9150 113.4030 113.9230 113.4270 111.8740 109.4650 107.9930 109.6250 111.9050 113.2730 113.6 112.9970 111.4850 109.3800 108.2500];theta=0:(pi/8):2*pi;polar(theta,SPL);
最后,，我們做一下聲源指向性曲線,，也就是等聲壓線，聲壓值我們?nèi)?08.25dB,，圓周上一共16個(gè)點(diǎn),，每點(diǎn)間隔22.5°（如果想讓曲線更圓滑,，則可以增加點(diǎn)數(shù)，減小間隔角度）,。在FLUENT軟件的具體做法比較笨拙,，以108.25dB作為基點(diǎn)，該點(diǎn)坐標(biāo)（0.665,0）,，也就是處在0°位置,，半徑為0.665m。接下來每增加22.5°計(jì)算x坐標(biāo)和y坐標(biāo)（rcosθ,rsinθ）,，這里的半徑r通過手動(dòng)調(diào)整,，使得FFT變換計(jì)算而得的OASPL與108.25dB非常接近（比如相對偏差小于0.1%或者更小）,，這樣就可以得到等聲壓線,。再在matlab繪制極坐標(biāo)圖線，即可得到聲壓指向性曲線,，源代碼和曲線結(jié)果如下,，可以看出該聲源的指向性與偶極子聲源接近，說明圓柱繞流的氣動(dòng)噪聲主要是由圓柱表面交替脫落渦產(chǎn)生的非定常脈動(dòng)力形成的偶極子聲源引起,。聲波最大輻射發(fā)生再垂直于來流的軸上,，說明這個(gè)軸是偶極子軸。clcclearr=[0.665 0.79 1.01 1.2 1.27 1.2 1.01 0.79 0.665 0.79 1.01 1.2 1.27 1.2 1.01 0.79 0.665];theta=0:(pi/8):2*pi;polar(theta,r,'-o');
[1] 不同雷諾數(shù)下圓柱繞流氣動(dòng)噪聲數(shù)值模擬
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