مقالات  >  دینامیک سیالات محاسباتی (CFD)  >  مقدمه‌ای بر آیروآکوستیک در نرم‌افزار ANSYS Fluent

مقدمه‌ای بر آیروآکوستیک در نرم‌افزار ANSYS Fluent

انتشار صدا و نویز در سیالات بدلیل امواج فشاری می‌باشد و آیروآکوستیک که شاخه‌ای از علم آکوستیک است دقیقا در ارتباط مستقیم با دینامیک سیالات می‌باشد. در نتیجه پدیده‌هایی که در ارتباط با صدا هستند می‌توانند از دیدگاه دینامیک سیالات تبیین و تحلیل شوند. معادلات حاکم برای آکوستیک در واقع همانند معادلات حاکم بر جریان‌های سیال هستند.

مهم‌ترین چالش در پیش‌بینی عددی امواج صوتی این است که صداها به مراتب انرژی کمتری (چند مرتبه اندازه) از جریان سیالات دارند. این امر باعث یک چالش اساسی برای محاسبه صداها می‌شود علی‌الخصوص اگر علاقه‌مند به پیش‌بینی انتشار صدا در دوردست جریان باشیم. چالش دیگر این است که برای پیش‌بینی دقیق تولید صداها باید پدیده‌های نزدیک محل تولید صدا (نظیر جریان مغشوش) را با دقت بالایی در نظر بگیریم.

برای حل معادلات آیروآکوستیک از شاخه آیروآکوستیک محاسباتی یا همان Computational Aeroacoustics (CAA) استفاده می‌کنیم که به تحلیل تولید صدا یا نویز در جریان‌های مغشوش با روش‌های عددی می‌پردازد.

نرم‌افزار ANSYS Fluent، روش‌هایی برای محاسبات صداهای تولید شده آیرودینامیکی ارائه می‌دهد. سه روش ارائه شده توسط نرم‌افزار ANSYS Fluent برای محاسبات صدا و نویز بصورت زیر است:

·        روش مستقیم (Direct Method)

·        روش انتگرالی بر اساس آنالوژی آکوستیک (Integral Method Based on Acoustic Analogy)

·        مدل‌های منبع نویز با پهنای باند گسترده (Broadband Noise Source Models)

در ادامه به بررسی اجمالی هر سه روش پرداخته می‌شود.

روش مستقیم (Direct Method)

در این روش تولید و انتشار امواج صوت با حل معادلات دینامیک سیالات بصورت مستقیم محاسبه می‌شوند. پیش‌بینی امواج صوت همواره نیاز به حل‌های با دقت زمانی بسیار بالا برای معادلات حاکم دارند. در نتیجه روش مستقیم هزینه محاسباتی بسیار بالایی دارد. هزینه محاسباتی زمانی مانع از حل مستقیم می‌شود که صدا باید در دوردست (به عنوان مثال در فاصله‌ای به اندازه 100 برابر طول وتر یک ایرفویل) محاسبه شود. استفاده از روش مستقیم زمانی به صرفه خواهد بود که دریافت‌کننده‌های صدا در نزدیکی منبع تولیدکننده باشند. در بسیاری از این حالات که دریافت‌کننده صدا نزدیک تولیدکننده است، صداها یا به عبارتی شبه‌صداها عمدتا بدلیل فشار هیدرودینامیکی موضعی هستند که با هزینه و دقت معقولی قابل پیش‌بینی هستند.

از آنجا که انتشار صدا در این روش بصورت مستقیم محاسبه می‌شود، باید فرم تراکم‌پذیر معادلات حاکم حل شود. فقط در شرایطی که جریان سرعت پایین بوده و دریافت‌کننده‌ها اغتشاشات هیدرودینامیکی موضعی میدان نزدیک (شبه صدا) را حس کنند، می‌توان از فرمولاسیون جریان تراکم‌ناپذیر استفاده کرد. در این صورت شبیه‌سازی پدیده‌های رزونانس و پس‌خورد (feedback) امکان‌پذیر نخواهد بود.

روش انتگرالی بر اساس آنالوژی آکوستیک (Integral Method Based on Acoustic Analogy)

برای پیش‌بینی نویز و صداهای میدان میانه و دور، روش‌های بر اساس آنالوژی آکوستیک Lighthill جایگزین‌های مناسبی برای روش‌ مستقیم خواهد بود. در این دیدگاه، از جریان بدست آمده در میدان نزدیک از حل معادلات حاکم نظیر معادلات RANS گذرا، DES یا LES استفاده می‌شود تا صدا با کمک جواب‌های انتگرال تحلیلی بدست آمده برای معادلات موج پیش‌بینی شود. آنالوژی آکوستیک انتشار صدا را از تولید آن جدا می‌کند که در نتیجه باعث می‌شود فرآیند حل جریان از تحلیل‌های آکوستیکی جدا شود.

ANSYS Fluent یک روش بر اساس معادله Ffowcs Williams and Hawkings (FW-H) و جواب‌های انتگرال آن ارائه می‌دهد. این فرمولاسیون فرم کلی آنالوژی آکوستیک Lighthill را ارائه می‌دهد و قادر به پیش‌بینی صدای تولیدی از منابع آکوستیکی است. برای بدست آمدن جواب‌های انتگرال، حل‌های دقیق زمانی میدان جریان نظیر فشار، سرعت و چگالی نیاز است و برای بدست آوردن حل‌های دقیق زمانی می‌توان از معادلات گذرای RANS، DES و LES استفاده کرد. بر اساس ماهیت منبع نویز، مدل توربولانس مورد استفاده و بازه و اندازه بازه زمانی حل جریان هم نویزهای تونال (مثل صدای موتور) و هم نویز پهن‌باند و یا همان broadband (مثل صدای جاده و باد) قابل پیش‌بینی هستند.

با استفاده از مدل آکوستیک FW-H نرم‌افزار ANSYS Fluent می‌توان چند منبع تولید نویز و چند دریافت‌کننده نویز را همزمان انتخاب و تحلیل کرد. همچنین با استفاده از این مدل می‌توان داده‌های ایجاد شده از منابع نویز را برای کاربردهای آتی در فایل ذخیره کرد یا بصورت همزمان با محاسبات جریان، سیگنال‌های آکوستیکی را محاسبه نمود و یا هر دو حالت را با هم انجام داد. با استفاده از Fast Fourier Transform (FFT) سیگنال‌های آکوستیکی بدست آمده را می‌توان بر اساس کمیت‌های آکوستیک نظیر تراز فشار صوت(SPL) و طیف توان صوت ارائه نمود.

یک محدودیت اصلی این مدل این است که فقط برای پیش‌بینی نویز در جریان‌های خارجی قابل استفاده می‌باشد؛ به عبارت دیگر در این مدل امکان پیش‌بینی انتشار نویز در داخل لوله و در حالت کلی محیط‌های بسته وجود ندارد.

شکل زیر تحلیل آکوستیکی در پشت ایرفویل در حالت ماخ پایین انجام شده است. برای تحلیل، دو منبع دریافت نویز در فواصل نزدیک و دور در پشت ایروفویل در نظر گرفته شده است. نقاط در شکل زیر نشان داده شده‌اند.

 

تغییرات فشار آکوستکی با زمان در شکل زیر برای دو هر دونقطه نشان داده شده است.

 

از نمودار فشار آکوستیک بر حسب زمان دو نکته می‌توان دریافت کرد. اول اینکه نقاط مشکی‌رنگ نشان‌دهنده تغییرات فشار نقطه نزدیکتر به بال با زمان است چرا که دامنه فشار آکوستیکی بیشتر است و هر چقدر از بال دورتر می‌شویم (نقاط قرمز) فشار آکوستیک کمتر می‌شود. نکته دوم تاخیر 30 میلی‌ثانیه بین دو نقطه دریافت‌کننده نویز می‌باشد که دلیل این امر دیرتر رسیدن امواج آکوستیک به نقطه دوم (دورتر) می‌باشد.

شکل زیر نیز تراز فشار صوت را برای دو نقطه نشان می‌دهد.


شکل‌های بالا طیف فشار صوت را نشان می‌دهد. نقطه ماکزیمم طیف در فرکانس حدود 2100 هرتز اتفاق می‌افتد. 

مدل‌های منبع نویز با پهنای باند گسترده (Broadband Noise Source Models)

در بسیاری از مسائلی که با جریان مغشوش در ارتباط هستند، نویز دارای درجه صدای مشخص نیست و انرژی صوت بصورت پیوسته در یک بازه گسترده‌ای از فرکانس‌ها پخش می‌شوند. در این شرایط به آسانی کمیت‌های توربولانس از معادلات RANS قابل محاسبه است که می‌توانند با استفاده از روابط نیمه تجربی و آنالوژی آکوستیک Lighthill نتایچ خوبی برای منابع نویز با پهنای باند گسترده ارائه دهند.

نرم‌افزار ANSYS Fluent از مدل‌های متفاوتی نظیر Proudman، Curle، Lilley و معادلات اویلر خظی (LEE) برای اندازه‌گیری منابع نویز استفاده می‌کند.

با توجه به اینکه ما می‌خواهیم روش‌ها و معیارهایی برای کاهش صدای تولید شده توسط جریان ایجاد کنیم، با استفاده از مدل‌های منبع اشاره شده در بالا می‌توانیم روش‌های مناسبی استخراج کنیم که مشخص کند کدام قسمت از جریان عامل اصلی تولید صدا می‌باشد.

در این روش بر خلاف روش قبلی، امکان پیش‌بینی صدا در دریافت‌کننده وجود ندارد. همچنین، بر خلاف روش مستقیم و روش FW-H، مدل منبع نویز با پهنای باند گسترده نیاز به حل گذرا ندارد. تمام پارامترهای مورد استفاده در این مدل از اطلاعات بدست آمده از حل معادلات RANS همانند سرعت متوسط میدان جریان، انرژی جنبشی مغشوش و نرخ اضمهلال بدست می‌آید. در نتیجه استفاده از مدل منبع نویز با پهنای باند گسترده کمترین هزینه محاسباتی را خواهد داشت.

شکل‌های زیر تراز توان آکوستیک و منابع نویز را با استفاده از روش Broadband Noise Source Models در اطراف بدنه یک هلیکوپتر نشان می‌دهد.
 

 


کلمات کلیدی:

آیروآکوستیک، آیروآکوستیک محاسباتی، آکوستیک، آنالوژی آکوستیک، نویز، فلوئنت

Aeroacoustics, Computational Aeroacoustics (CAA), Acoustic, Ansys Fluent, Direct Method, Integral Method Based on Acoustic Analogy, Broadband Noise Source Models, Ffowcs Williams and Hawkings (FW-H)