一、写在前面Actran是fft（Free Field Technologies）公司的旗舰产品，“号称”市场上最先进最完善的声学模拟软件（引用官方语言），覆盖振动声学和流动声学的各个方面，具备了与当今最先进技术相结合的广泛特征。可以轻松胜任声波的辐射、散射、封闭和开放声场、管道中的传播、对流效应、声振耦合、考虑阻尼效应等各种复杂的声学问题。据说这几年在国内发展势头很猛。本文主要对其在气动声学领域的仿真技术进行浅析，水平有限，欢迎指正。

二、Actran气动噪声仿真技术

1、计算气动声学方法简介

① 直接数值模拟（DNS）气动噪声源于流体运动过程中的非定常气动力，本身属于流动现象，通过DNS（直接数值模拟）的方法直接求解非定常可压缩N-S方程，可以完美求得气动声学的波动现象。但由于声波属于小扰动尺度，湍流能量远远大于声能量，这就要求流场空间离散和时间离散尺度可以分辨流场最小涡的脉动程度，对计算机硬件要求极其严苛，难以实践应用。有人曾形容，计算气动声学好比在波涛汹涌的海面捕捉一粒石子激起的波纹。

② 混合方法混合方法的基本假设认为流场的非定常脉动将产生声波的传播，但声波的传播过程对流场没有影响，从而实现气动声学问题从流体问题中解耦——两步走：

• 第一步：流场非定常计算；
• 第二步：从流场非定常解中提取声源及声传播分析。

这种方法的优点是可以利用已有成熟的流场分析技术，在提取声源并进行传播分析时可以使用有限元法，支持任何边界条件、高Ma问题、所有类型的声源。如何从流场中提取高精度的声源则成为声学软件开发者的新的挑战。

Actran气动噪声仿真方法就属于此类。2、Actran气动噪声仿真方法Actan提供三种气动噪声分析方法：Lighthill声类比方法、Möhring声类比方法、SNGR（Stochastic Noise Generated Randomly）方法。① lighthill声类比方法Actran/aero acoustics模块基于lighthill方法，并结合Curle’s理论得到：

方程右边第一项为lighthill体声源，第二项为lighthill面声源（对应旋转机械噪声问题）。

② Möhring声类比方法对于高流速（Ma>0.3）的背景流情况，需要对Lighthill方程做一些修正：

其中：

③ SNGR方法Actran提供的SNGR方法基于稳态雷诺时均流场计算得到的速度、湍流动能分布特性，通过添加随机扰动的方法重新合成含有时间项的流场数据，实现从RANS结果识别lighthill体积声源。主要分两个步骤：

第一步：合成湍流速度；第二步：基于合成的湍流速度计算声源，目前仅限于使用lighthill声类比。

前两种方法基于流场的非定常解获取声源，精度较高，适用性广，已在工程中广泛应用。但需要求解流场的非定常运动，求解效率较低。SNGR方法基于稳态流场解，求解效率较高，在产品前期设计过程中可有效评估不同方案的噪声水平，指导产品优化设计。3、Actran气动噪声分析流程① 声学计算域如何确定气动声学计算无需像流体分析一样包含整个流动区域，声源主要产生于流体扰动剧烈的区域，并像周边介质进行传播。声学计算域基本建立原则如下：（1）流体扰动剧烈的区域作为声源区；（2）在声源区周边一定范围内建立声传播区；（3）声传播区边界建立无限元边界，可有效模拟声音向无穷远处辐射；

（4）在关注点建立声压监控点。

② Actran气动噪声仿真流程

基本流程如下：（1）流场非定常仿真：流场计算域确定、网格划分、非定常计算及结果输出；（2）ICFD声源提取：基于流场非定常解，完成声源转换及时频变换；

（3）Actran声源计算：Actran中进行声学介质属性、边界条件、求解场点等相关设置，进行声辐射计算。

三、圆柱绕流仿真案例分享

在此和大家分享下圆柱绕流气动噪声仿真的案例。

1、 案例背景

圆柱绕流作为一种典型的钝体绕流，普遍地存在于自然界和工程中。随着來流Re的不同，其绕流形态各异。当Re<5时，流动为无分离的蠕动流；5≤Re<40时，流动为由两个对称驻涡组成的回流泡；Re≥40时，流动从两侧分离，形成交替脱落的漩涡——卡门涡街。随着Re的增大，分离区、涡街及边界层的结构存在不同，流动强烈的非定常作用及湍流流动将辐射较大的气动噪声。

2、流场分析

① 模型尺寸及网格简介

圆柱直径D为19mm，计算域长为41D，宽为21D，进口距离圆柱15D。

网格参数见下表。

② 边界条件及关键参数

关键设置见下表。

③ 流场计算结果云图

涡量云图如下。

流场非定常解的高精度计算，是气动噪声分析的基础。

3、气动噪声计算

① 声学网格

本案例为简化起见，声学网格直接采用已有的流场网格。实际声学网格没有流场网格要求严格，无需边界层，网格类型对声学分析解的精度影响较小，声学网格尺寸满足波长的1/6即可。本文声学网格及计算域信息如下图所示。

② 直接频率响应分析文件

直接频率响应分析用于计算在已知边界条件或声源激励作用下的声辐射场。关键设置包括：分析频段、有限元流体、无限元流体、lighthill体声源、求解器及后处理相关设置。关键操作截图如下：

（1）添加直接频率响应分析

（2）设置声学分析频段

这里采用的是根据频域声源文件（文件名为source_freq.nff）的频率范围指定。频域声源文件是在3.3.3节声源计算文件中进行设置。

（3）添加有限元流体和无限元流体组件

（4）定义lighthill体声源边界

（5）lighthill体声源具体设置，这里需要指定体声源的路径位置（在3.3.3节声源计算文件设置时，会设置频域声源文件的名字，在此可先行引用）。

（6）选择mumps求解器

（7）直接频率响应分析文件导出，这里设置具体的文件名为actran_input.edat

③ 声源计算文件声源计算文件主要用于从流场解提取声源信息并插值到声学声源区网格上，首先生成的是时域声源文件，然后进行时频转换生成频域声源文件。关键步骤如下：（1）添加ICFD功能模块

（2）添加声源计算组件

（3）添加时频转换组件，将时域声源经过fft变换，转化为频域声源。

（4）声源计算文件输出，这里文件命名为icfd_input.edat

至此，气动声学分析所需的声源计算文件（icfd_input.edat）和直接频率响应分析文件（actran_input.edat）已经准备完毕。

④ 计算（1）提交声源计算文件icfd_input.edat，利用ICFD功能模块求解

（2）提交直接频率响应计算文件actran_input.edat，利用actran功能模块求解

⑤ 结果后处理主要通过以下工具进行结果处理：Pltviewer用来进行声压频响函数及声指向性分析；ActranVI用来进行声场云图显示。

作者：小禹治水，仿真秀科普作者

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