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1. 气动噪声简介
1.1 气动噪声简介
气动噪声是由空气或其他流体的运动与固体表面之间的相互作用，以及流体内部的湍流、涡流、冲击等引起的噪声。它广泛存在于自然界和工程领域
1.2 气动噪声的产生机制
气动噪声通常来源于以下物理现象：
湍流和涡流：高速气流中的湍流和涡流产生压力波，从而引发噪声。例如，高速风通过障碍物（如飞机翼尖）时产生的涡流噪声。
动图
固体表面与流体的相互作用：气流与固体表面碰撞或摩擦导致的压力波传播。例如，高速列车表面因流体剪切产生的噪声。
气体压缩与膨胀：在喷流、爆炸、冲击波等场景中，气体快速压缩或膨胀引起压力变化，从而辐射噪声。例如，火箭发射时喷嘴的高速气流噪声。
动图
1.3 气动噪声的典型来源
交通工具：飞机（喷气发动机、翼面涡流）。高速列车（表面气流分离）。汽车（后视镜和车顶气流分离）。
工业设备：风机、压缩机、涡轮机的涡流噪声。通风系统中的管道湍流噪声。
自然界：风吹过建筑物或树木引起的呼啸声。风暴中湍流和紊流的噪声。
注：本案例使用ANSYS 2023R2进行模拟
2. 模型描述
空间中有一个圆柱体，空气来流速度为69.2m/s，掠过这个圆柱体后，会产生噪声。
3. 基本设置
3.1 导入网格：
使用Fluent软件打开Chapter96.msh网格文件，文件在本文末尾链接资源内。注意，本案例为2D模型，打开Fluent软件时需勾选2D
选择网格文件时要注意，由于本案例网格文件为msh格式，文件类型需要选择.msh，才能看到网格文件
导入mesh文件后，点击Display，将显示模型
3.2 修改模型尺寸
本案例原模型尺寸以m为单位，需要缩放100倍变为以cm为单位。
打开Scale mesh，勾选Specify Scaling Factors，在Scaling Factors中的X、Y都设置为0.01，表示模型缩放100倍。单击Scale后，模型缩放。
参考文章：Fluent 模型缩放Scale Mesh设置
3.3 求解器设置
基于压力求解器，瞬态设置，不勾选重力
4. 设置计算模型
4.1 能量方程
能量方程不打开，不涉及传热
4.2 湍流模型设置
使用二维的大涡模拟。
LES大涡模型在三维模型可以在Fluent湍流模型界面打开，但是二维模型时，需要输入文本命令才能打开LES模型。
文本命令：(rpsetvar 'les-2d? #t)
为什么要使用LES模型：
因为圆柱外的气动噪声主要来源于涡脱落、流体的不稳定性和 湍流剪切层。LES专注于解析大尺度涡，即与气动噪声密切相关的主要能量涡结构。因此LES 是圆柱外气动噪声模拟的主流选择。
如果计算资源不足或几何复杂，也可以 DES 或 SAS模型，其计算量比 LES 小一些。
RANS 是时间平均的湍流模型，无法直接捕捉瞬态涡的动态行为，不适合高精度气动噪声模拟，但可以用来分析稳态特征或噪声源位置，准确性较低
RANS 模型即我们常说的1方程，2方程，3方程等，包含经常使用的k-e模型和k-w模型
提示让我们更改瞬态格式，直接点击OK，后面进行更改。当然也可以直接在Solution Methods界面 更改成二阶格式
4.3 设置air材料属性
材料为air，属性保持默认即可
5. 操作条件设置
设置操作压力为101325
6. 边界条件设置
6.1 inlet边界设置
inlet设置为速度入口边界条件，双击inlet，弹出如下界面，输入速度为69.2m/s
Fluctuating Velocity选项在如SAS、DES和LES模型才会出现，在入口边界条件中添加波动速度是为了生成更真实的湍流流场。
No Perturbations：不添加任何速度波动，即入口速度是确定性的，无随机扰动。本文选中无波动
Spectral Synthesizer：Fluent 中一种生成入口湍流波动速度的方法。其参数设置和湍流边界条件相似。可参考文章：三十三、Fluent边界条件湍流参数设置详解
6.2 outlet设置
设置为压力出口边界条件，Gauge Pressure设置为0
6.3 wall设置
cylinder设置为wall，保持默认即可
6.4 symmetry设置
symm_bottom和symm_top设置为对称边界条件
7. 求解设置
7.1 求解方法
Pressure-Velocity Coupling格式设置为PISO
Pressure格式设置为PRESTO！
Transient Formulation选中二阶隐式格式Second Order Implicit
7.2 求解控制
保持默认即可
7.3 监测物理量
监测圆柱的升力。
双击Reports Definitions，弹出下图窗口
依次点击New → Force Report →Lift...可弹出下图窗口。
Name：输入cl-1
Report Output Type：选择Lift Force
Force Vector：x输入 0；y输入1
Zones：选择cylinder
勾选Report File：表示将数据写入文件。在cas文件夹下会创建一个文件
勾选Report Plot：表示在窗口画实时曲线图
Print to Console：表示在文本界面输出阻力值
完成上述设置后，会在Monitors树下自动生成报告
7.4 参考值设置
回到上面的Reference Values，双击打开参考值设置界面
compute from选择inlet，说明参考值选取自inlet数据
Length设置为0.02m
8. 初始化
标准初始化，详细操作可参考文章：
点击Initialize，进行标准初始化
9. 计算设置
Number of Iterations设置为4000，Time Step Size设置为5e-6s。单击 Calculate
10. 后处理
10.1 升力曲线
10.2 圆柱绕流速度云图
10.3子网格湍流粘度云图
Subgrid Turbulent Viscosity 是大涡模拟中一个湍流模型参数，用于描述网格尺度以下湍流对流体动力学行为的影响。
子网格湍流粘度可以被看作对未解析的“小涡”影响的补偿，就像大海中的小波浪虽然看不清，但它们对船的稳定性还是有影响，子网格湍流粘度正是量化这些影响的“工具”。
11. 定义声学模型
11.1 声学模型设置
返回到Models处，双击打开声学模型Acoustics
打开声学模型界面
选中Ffowcs Williams & Hawkings (FW-H)，是声学模型的一种。下面详细介绍声学模型。
勾选Export Acoustic Source Datain ASD Format：表示将声学源数据导出为ASD格式，这表示Fluent会写asd格式的文件。
Source Corelation Length：源相关长度输入0.5，它描述了声源区域的“大小”或“延伸”程度，尤其是与湍流或气动噪声源相关的部分。设置为0.5m，也就是我们认为这个圆柱绕流的噪声源影响范围大概是0.5m。模型整个范围也差不多是这个长度。
单击 Define Sources 按钮,弹出 Acoustics Sources(声源)对话框。
Source Zones：选择cylinder，表示声源区域是cylinder
Source Data Root File Name：输入cylinder，给出源数据文件的名称（例如，acoustic_example.xxx.asd，其中xxxx是瞬态的全局时间步长索引）和将存储与源数据相关信息的索引文件（例如acoustic.example.index）
WriteFrequency：输入2，数据的写入频率，设置为2，表示每两个时间步写入一次数据
Number ofTime Steps per File ：200，源数据可以写入多个文件，设置为200，表示每个文件包含200个时间步的源数据。
单击 Apply 按钮，会在cas文件夹中写入两个文件
11.2 两种声学模型介绍
FW-H模型：适用于更复杂的噪声源建模，特别是涉及到流动、湍流、物体表面等因素产生的噪声，适合需要精确模拟噪声来源的高频噪声问题。
可处理的噪声源：
如果你关心的是物体表面或湍流等因素产生的噪声，FW-H模型更适合
Wave Equation模型：适用于简化的声学传播问题，通常用于描述声波在特定介质（如空气、水等）中传播的行为，特别适用于波动传播的基本问题。适用于低频和远距离的传播问题。
如果只关心声波的传播而忽略具体的噪声源特性，Wave Equation模型则更简单。
基本波动方程：声波的传播遵循波动方程，通常通过对压力、速度场或声强度场进行求解来得到声波的传播和辐射情况。
其中，p是声压，c是声速
这里总结一下两种声学模型的区别，供大家参考
12. 声学计算设置
回到计算设置界面，Number of Iterations设置为4000，Time Step Size设置为5e-6s。单击 Calculate ，开始计算
13.声学后处理
13.1 声压图
单击 Acoustic Signals 按钮，弹出 Acoustic Signals界面
单击 Receivers 按钮，打开Acoustic Receivers 对话框，设置声学接收点。定义每个接收点的坐标。接收点是用于记录声波传播到达某一位置的强度、频谱、声压等数据的点。
Fluent中的声学模型主要用于预测远场噪声，接收点位置应距离声源一定距离，甚至可以是可以放置在计算域外。
在Number of Receivers 中输入2，表示设置两个接收点。
在receiver-1的Y-Cood.中输入-0.00665，在receiver-2的Y-Cood.中输入-0.02432。表示接收点的位置
返回 Acoustic Signals界面，在ActiveSource Zones中选择 cylinder,在 SourceData files 中选择所有数据，在 Receivers中选择两个接收点，单击Compute/Write 按钮。
单击Compute/Write 按钮后，会生成两个ard文件
单击信息树中的 Plots 项，双击Data Sources，弹出Plot Data Sources。
点击Load Files，选择刚才生成两个ard文件
弹出Select File对话框，选择 receiver-1.ard 和receiver-2.ard，单击 OK 按钮确认
点击plot，显示声压图
声压图
13.2 声压频谱图
在 Plots面板中双击 FFT，弹出Fourier Transform对话框。
在 Process Options 中选择 Process Receiver 单选按钮，在Y Axis Function 中选择 SoundPressure Level (dB)，在XAxis Function 中选择Frequency(Hz)
单击Plot FFT按钮，显示位置1的声压频谱图。
同样的操作，可以显示位置2的声压频谱图
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