Aeroacoustics_气动声学(理论教程)
ACTRAN AERO-Acoustics_Theory_complete-ACTRAN气动声学理论完整版
半经验模型：不依赖于非定常的流体计算。
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主控方程
两个定义, 没有假设:
A0是声源区之外静止流体的声速 a = - 0 其中0大气密度 0 是个常数:
得到(L1):
(L1)
如果观察点不在声源区，也没有均匀流动，那么, a = 声场密度
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混合方法
积分方法：
Lighthill, Curle, FW-H, Farassat, ... 都基于NS方程的方法 在声场内求解关于声学的显式方程以及计算声源对胜场内任何一点的贡献率 需要Green function
局限
声源项的不准确性（声源的统计） 对声学特性的预测相当困难 数值计算的成本不容忽视（大量的涡=大量的计算）
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Analogy concept
声类比理论
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压力 粘性应力 (2)
经过变换，方程（2）可以写成如下的形式：
常数 Lighthill应力张量
Lighthill应力张量T如下:
(T)
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航空器设计中的气动声学研究
航空器设计中的气动声学研究在现代航空领域，航空器的设计是一项极其复杂且综合性极强的工程。
其中，气动声学研究作为一个关键环节，对于提升航空器的性能、舒适性以及环保性都具有至关重要的意义。
让我们先来了解一下什么是气动声学。
简单来说，气动声学就是研究流体（如空气）与物体相互作用时产生的声音现象及其相关规律的学科。
在航空器中，当飞机在空中高速飞行时，空气流经飞机的表面，如机翼、机身、发动机等部件，会产生各种气流扰动和压力变化，从而导致噪声的产生。
那么，为什么要在航空器设计中重视气动声学研究呢？首先，过大的噪声会对乘客和机组人员的舒适性造成严重影响。
想象一下，在长时间的飞行中，耳边充斥着巨大的噪音，这不仅会让人感到烦躁和疲劳，还可能影响到人们的健康。
其次，从环保的角度来看，航空器产生的噪声对机场周边的居民也会带来很大的困扰。
随着环保意识的不断提高，降低航空器噪声已经成为了航空业必须面对的一个重要问题。
此外，噪声还可能影响到航空器自身的结构强度和疲劳寿命，增加维护成本和安全风险。
在航空器设计中，影响气动声学性能的因素众多。
飞机的外形设计就是其中之一。
例如，机翼的形状、翼梢的处理方式等都会对气流的流动和噪声的产生产生影响。
流线型的机翼设计可以减少气流的分离和湍流，从而降低噪声。
发动机的设计也是至关重要的。
发动机内部的风扇、压气机、涡轮等部件在工作时会产生大量的噪声。
通过优化发动机的叶片形状、间距以及采用先进的降噪技术，可以有效地降低发动机噪声。
为了研究航空器的气动声学特性，科研人员们采用了多种先进的技术和方法。
数值模拟就是其中一种常用的手段。
通过建立复杂的数学模型和使用强大的计算机进行计算，可以模拟出航空器周围的气流流动和噪声传播情况。
风洞试验也是不可或缺的。
在风洞中，可以对不同的航空器模型进行测试，直接测量噪声的强度和频谱等参数。
此外，还有声学测量技术，如麦克风阵列等，可以精确地定位噪声源和分析噪声的特性。
航空器设计中的气动声学分析
航空器设计中的气动声学分析在现代航空领域，航空器的设计是一个极其复杂且综合性极强的工程，其中气动声学分析扮演着至关重要的角色。
气动声学不仅关乎航空器的飞行性能和安全性，还直接影响到乘客的舒适度以及对周围环境的噪声影响。
要理解气动声学在航空器设计中的重要性，首先得明白什么是气动声学。
简单来说，气动声学研究的是空气流动与声音产生和传播之间的关系。
当航空器在空气中高速运动时，气流与机体表面、部件之间的相互作用会产生各种复杂的流动现象，从而引发噪声。
航空器产生的噪声主要有三大来源。
其一，发动机噪声。
发动机内部的燃烧过程、气流的高速流动以及风扇、涡轮等部件的转动都会产生巨大的噪声。
其二，机体噪声。
包括机翼、机身、尾翼等部位在气流中产生的摩擦、分离、涡流等引起的噪声。
其三，起落架噪声。
在起降过程中，起落架与空气的相互作用以及轮胎与跑道的接触都会产生明显的噪声。
在航空器设计的早期阶段，设计师们主要关注的是飞机的空气动力学性能，如升力、阻力、稳定性等。
然而，随着人们对环境和舒适性要求的不断提高，降低噪声逐渐成为了设计中不可忽视的一个重要方面。
这是因为高强度的噪声不仅会对机场周边的居民造成困扰，还可能影响到飞行员的通讯和操作，甚至对乘客的健康产生潜在威胁。
为了有效地进行气动声学分析，研究人员和工程师们采用了多种先进的技术和方法。
数值模拟就是其中极为重要的一种。
通过建立复杂的数学模型，利用高性能计算机对航空器周围的气流场进行模拟，可以预测噪声的产生和传播。
计算流体动力学（CFD）和计算声学（CAA）是数值模拟中常用的工具。
CFD 用于模拟气流的流动特性，而 CAA 则基于 CFD 的结果进一步计算声音的传播和辐射。
风洞试验也是不可或缺的研究手段。
在风洞中，可以真实地模拟航空器在不同飞行条件下的气流状况，并通过安装在风洞中的声学传感器测量噪声水平。
风洞试验能够提供直观、准确的数据，但成本较高，且试验条件受到一定的限制。
飞行器降落时的气动声学分析
飞行器降落时的气动声学分析在我们日常生活中，飞机的出现不再是什么罕见的事情。
作为一种安全、高效的交通工具，飞机极大地便利了人们的出行和交流。
而每架飞机降落时所产生的噪音却是我们无法避免的问题。
这种噪音主要是气动声学噪音，在降落时不能避免。
气动声学分析原理气动声学分析是一种研究空气动力噪声产生原理的学科，主要研究了飞行器空气动力导致的噪音源、传播途径和受到人体的影响等。
在飞机降落过程中，产生的噪声主要来源于飞机的引擎、机翼、起落架等部件所引起的喷流、漩涡和湍流。
飞机降落时所产生的气动声学噪音主要由下列因素影响:1. 飞机速度和重量：当飞机接近地面时，会减小飞机速度和增加飞机重量。
因此，出现了在这种情况下产生噪音的原因。
飞机的空气动力噪声是速度和重量的函数。
2. 喷口位置和形状：飞机喷口的位置和形状将决定喷口内的气流动力性质。
飞机喷口向地面方向喷出的高速气流会引起喷流、漩涡和湍流等现象。
3. 风向和风速：风向和风速可能对飞机降落产生重要影响。
风速越高，产生的噪音也就越大。
而且，在不同方向上的风速也对噪音产生了不同的影响。
在这些因素的影响下，飞机降落时所产生的气动声学噪音会通过传播途径到达地面和周边的人群，并造成干扰和损害。
因此，气动声学噪音有必要加以研究和控制。
飞机降落噪音的控制目前，针对飞机降落时产生的噪音，相关部门已经采取了一系列的控制措施。
主要包括以下几个方面。
1. 技术改进：针对飞机降落时产生的噪音，技术人员研究了诸多技术措施，如改进飞机引擎、减少飞机重量、改变喷口位置等等。
通过这些技术改进，可以减小飞机降落时的气动声学噪音。
2. 飞机管制：相关部门对飞机降落的管制很严格。
一般来说，在飞机起飞和降落时，都需要提交具体的计划和时间表。
这个时间表是严格遵守的。
只有在紧急情况下，飞机才能够随意起飞或者降落。
在此基础上，一些空港还进行了噪音监测。
通过监测，可以准确判断噪音是否合格，从而为降低噪音提供数据支持。
飞行器的气动声学性能研究
飞行器的气动声学性能研究在现代航空航天领域，飞行器的气动声学性能研究是一个至关重要的课题。
随着航空运输的不断发展，人们对于飞行器的性能、舒适性和环境友好性提出了越来越高的要求。
其中，降低飞行器在飞行过程中产生的噪声不仅对于乘客的舒适性至关重要，也对于减少对周围环境的噪声污染具有重要意义。
要理解飞行器的气动声学性能，首先需要了解什么是气动声学。
简单来说，气动声学是研究流体流动与声音产生和传播之间相互关系的学科。
在飞行器中，当空气流经机翼、机身、发动机等部件时，会产生复杂的流动现象，这些流动可能导致压力的波动和湍流，进而产生噪声。
飞行器产生噪声的来源是多种多样的。
发动机是其中一个主要的噪声源。
在发动机内部，燃烧过程、风扇和涡轮的旋转都会产生强烈的噪声。
特别是在现代高涵道比涡扇发动机中，风扇产生的噪声在飞机起飞和降落阶段占据了相当大的比例。
机翼也是飞行器噪声的重要来源之一。
当气流流过机翼时，可能会在机翼的边缘产生漩涡和湍流，这些漩涡和湍流的不稳定运动会产生噪声。
此外，机翼与机身的连接处、襟翼和副翼的运动等也可能导致噪声的产生。
机身的形状和表面粗糙度也会对气动声学性能产生影响。
不光滑的机身表面可能会增加气流的摩擦，导致湍流的产生，从而增加噪声。
为了研究飞行器的气动声学性能，研究人员采用了多种方法和技术。
数值模拟是其中一种重要的手段。
通过建立飞行器的数学模型，并利用计算流体力学（CFD）和计算声学（CAA）的方法，可以对飞行器周围的流场和噪声场进行模拟和预测。
这种方法可以在飞行器设计的早期阶段就对其气动声学性能进行评估，为设计优化提供指导。
风洞试验也是不可或缺的研究方法。
在风洞中，可以对真实尺寸或缩比模型的飞行器进行测试，测量其表面的压力分布、气流速度和噪声水平等参数。
风洞试验能够提供较为真实的流场环境和噪声数据，但成本较高，且试验条件的限制可能会影响结果的准确性。
在实际的飞行器设计中，为了降低噪声，采取了多种优化措施。
Actran-2012用户大会-Aeroacoustic-气动声学应用功能介绍
Actran Users’ Conference 2012
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Actran14.0 : A sneak preview
Handle loadcases with different filter_amplitude in ActranAero Burner noise
- Noise model for flame - Noise sources assumed as a monopole - Acoustic noise propagation + acoustic feedback loop
Stochastic Noise Generated Randomly
- Continue investigations on noise computed from RANS solution - Research topic, more details in next presentation
Navier-Stokes equations
Actran ICFD
Isentropic LEE
5 Partial Differential Equations
Decreasing Complexity
Hypothesis 1
Hypothesis 2
Homentropic LEE
4 Partial Differential Equations
Hypothesis 3
Möhring equation
1 Partial Differential Equation
V=0
Helmholtz equation
1 Partial Differential Equation
Hypothesis 4
气动声学的经典技术和应用PPT课件
•2024/3/22
•21
高速列车声学问题分类
列车周围流场扰动产生的气动声学问题 列车内部环境噪声问题 列车过隧道产生的气压爆波问题
•2024/3/22
•22
高速列车外部噪声特点
结构振动冲击噪声
轮轨 动力装置与连接装置
流噪声
车顶部的受电弓和导流罩 车底部（转向架和连接装置） 车头部以及车体连接部位
主要内容
声学技术的工程应用
➢ 航空声学问题 ➢ 水声学问题
流体声学技术的发展
➢ 模型和数值方法 ➢ 声学试验技术
高速列车的声学问题
➢ 高速列车噪声分析 ➢ 高速列车过隧气压爆波分析
•2024/3/22
•1
1、声学技术的工程应用
➢舒适性 ➢声疲劳
环境噪 声限值
•2024/3/22
如何在保证运 行效率的情况 下抑制噪声？
集电噪声
受电弓
250km/h以上，流噪声占主导地位
•2024/3/22
•23
流噪声源
车体周围流场扰动的四极子声源
包括流场剪切、绕流、间隙流动等
车体受到的流场载荷力形成的偶极子源
•2024/3/22
•24
高速列车外部噪声分析
66点阵相控声阵列测试系统
•2024/3/22
•25
高速列车外部噪声实测
•2024/3/22
•26
动模型实验台声屏障声学试验
•2024/3/22
•27
高速列车内部噪声分析
8*8点阵声全息技术
•2024/3/22
•28
CRH2机车室噪声测量
•2024/3/22
•29
高速列车过隧气压爆波
•2024/3/22
飞行器的气动声学性能评估与优化技术
飞行器的气动声学性能评估与优化技术在现代航空航天领域，飞行器的性能优化是一个至关重要的课题。
其中，气动声学性能的评估与优化技术不仅关系到飞行器的飞行效率和安全性，还直接影响着乘客的舒适性和环境的噪声污染。
本文将深入探讨飞行器气动声学性能评估与优化技术的相关内容。
一、气动声学的基本原理要理解飞行器的气动声学性能，首先需要了解一些基本的原理。
当飞行器在空气中运动时，空气会在其表面产生流动和分离，从而形成复杂的气流结构。
这些气流的不稳定运动会产生压力波动，当这些压力波动以声波的形式传播出来，就形成了气动噪声。
气动噪声的产生主要有以下几种机制。
一是湍流边界层噪声，这是由于空气在飞行器表面的湍流流动引起的。
二是尾流噪声，通常在飞行器的尾部形成。
三是激波噪声，当飞行器的飞行速度接近或超过音速时，激波的产生会导致强烈的噪声。
二、飞行器气动声学性能评估方法1、实验测量实验测量是评估飞行器气动声学性能的传统方法之一。
通过在风洞或飞行试验中使用麦克风阵列等设备，可以直接测量飞行器周围的噪声水平和频谱特性。
然而，实验测量往往成本高昂，而且在一些复杂的飞行条件下难以实现。
2、数值模拟随着计算技术的飞速发展，数值模拟在飞行器气动声学性能评估中发挥着越来越重要的作用。
常见的数值模拟方法包括基于雷诺平均NavierStokes（RANS）方程的方法、大涡模拟（LES）方法以及直接数值模拟（DNS）方法。
RANS 方法计算效率较高，但对于复杂的湍流流动和噪声源的模拟精度有限。
LES 方法能够更好地捕捉湍流的大尺度结构，对噪声的预测更加准确，但计算成本较高。
DNS 方法能够精确模拟所有尺度的湍流运动，但目前由于计算资源的限制，还难以应用于实际的飞行器设计。
3、理论分析理论分析方法通过对气动噪声产生的物理机制进行简化和建模，推导出一些解析或半解析的公式，用于快速估算噪声水平。
然而，这种方法通常只适用于简单的几何形状和流动条件。
三、飞行器气动声学性能的优化技术1、外形优化飞行器的外形对其气动声学性能有着重要影响。
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Aeroacoustics 气动声学翻译：岳刚伟简介本翻译英文原文源于STAR-CCM+12.02版本的帮助文件，仅供从事CFD相关领域的同学参考，译者从2010年开始从事汽车行业的CFD仿真分析工作，本翻译根据自身的理解进行，翻译过程中错误在所难免，请予以指正。
附制作的空气动力学视频，请提出指导建议，感谢！https:///x/page/w0159lk8pka.html?https:///x/page/s0156bgaa11.html?Computational aeroacoustics (CAA) is a branch of multiphysics modeling and simulation that involves identifying noise sources that are induced by fluid flow and propagation of the subsequently generated sound waves.计算气动声学（CAA）是多体物理学的建模和仿真的一个分支，包括识别流体流动和随后产生的声波的传递而产生的噪声源。
Noise sources originate from various types of flow, such as:噪声源来自于各种类型的流动，例如：Turbulent flow over solid bodies (bluff body flows)固体表面的湍流（钝体/非线性流动）Turbulent boundary layer flows (for example, automobile, aircraft components)湍流边界层流动（例如汽车、飞机部件）High-speed turbulent shear flows (for example, free jet flow) 高速湍流切变流动（例如，自由射流）High-speed impinging flows (for example, jet impingement, rocket exhaust noise)高速撞击流（如射流冲击、火箭排气噪声）Structural vibration that is induced by fluid flow (fluid-structure interactions)由流体流动（流体与结构相互作用）引起的结构振动High-speed rotating flows (for example, rotorcrafts or turbomachinery)高速旋转流（例如，直升机或涡轮机械）Turbulent combustion (reacting flows)湍流燃烧（反应流）Blast waves (explosions)爆炸波（爆炸）A typical CAA simulation requires the following components:典型的CAA仿真需要以下组件：Navier-Stokes equations for fluid flow流体流动的纳维-斯托克方程High-resolution turbulence models高精度的湍流模型Analytical or computational acoustic wave propagationmodels解析或计算声波传播模型The noise signatures at the locations of interest exhibit corresponding noise spectra—that is, the intensities of sound pressure level over a range of frequencies. The noise characteristic can be tonal noise with a distinct peak at a frequency (such as engine noise; jet impingement noise, or Noise, Vibration, and Harshness (NVH)) or broadband noise spread over a frequency range (typical of turbulence-induced noise).关注部位的噪声特征表现出相应的噪声谱，即声压级在某一频率范围内的强度。
噪声的特性可以是离散的，在同一频率有不同的噪声峰值（如发动机噪声；射流冲击噪声，或则噪声，振动，和舒适性（NVH））或一定频率范围内传播的宽频噪声（典型的湍流引起的噪声）。
The sound pressure level (SPL measured in decibel, dB) is:声压级(SPL测量，分贝)：(3507)where:而：root mean square pressure压力均方根reference pressure (usually 20 µPa)参考压力（通常20µPa）The mechanism of noise generation differs according to the underlying physics of the flow. Thus, a computational aeroacoustics method must focus on resolving noise generation by optimizing the mesh and solver settings to capture the noise sources and frequence relevant to acoustic analysis. Resolution of the noise sources relies on the fidelity of the turbulence modeling.噪声产生的机理根据不同的流动的基础物理模型而不同。
因此，计算气动声学方法必须着眼于通过优化网格和求解器的设置来解决噪声的生成，并获取气动声学分析相关的噪声源和频率。
噪声源的精度依赖于湍流模型的准确性。
Although LES and DES simulations can predict noise generation in the near-field, they are not generally suitable for predicting noise propagation to far-field locations. The magnitudes of flowfluctuations that generate noise are orders of magnitude lower than the hydrodynamic flow properties. Without adequate mesh resolution, sound waves quickly dissipate away from the source region. The mesh density that is required to preserve this acoustic signature at far distances restricts the feasibility of pure CFD for real world applications.尽管LES和DES模拟可以预测近场产生的噪声，他们通常不适合预测噪声传播到远场的位置。
流动波动产生的噪声值的数量级低于流体流动的属性。
没有足够的网格精度，声波很快从声源区耗散。
对网格密度的要求是保证远距离的声学特征在纯CFD方法对现实世界的应用的可行性不被限定。
It is more practical to consider noise generation and propagation phenomena separately, adopting an appropriate hybrid CFD/CAA method. In this method, LES or DES is coupled (one-way) with a noise propagation aeroacoustic model.考虑噪声的产生和传播现象，采用适当的混合CFD/CAA方法更为实用。
在这种方法中，LES和DES与噪声传播的声学模型进行耦合（单向）。
Noise propagation modeling dates back to the 1950s. Sir James Lighthill [790] formulated Eqn. (3554) based on the Navier-Stokes equations and some basic assumptions, containing the definition of quadrupole noise sources from turbulent flows.噪声传播模型可以追溯到20世纪50年代。
Sir James Lighthill 基于纳维斯托克和一些基本的假定，包括湍流中四极子噪声源的定义，而建立的方程。
Following Lighthill's equation, other noise propagation models evolved considering all fundamental components of noise sources (monopole, dipole, and quadrupole), such as Curle's equation and the Ffowcs Williams-Hawkings equation (FWH). The surface integral methods such as those of the FWH method are a practical approach for noise propagation in the far-field, being able to superimpose all sources of noise over an enclosed surface and provide acoustic signatures by accurate meshless analytical solutions of a surface integral equation.下面的Lighthill方程，其他衍生的噪声的传播模型是考虑噪声源的所有基本组成（单极子，偶极子和四极子），如Curle方程和Ffowcs Williams Hawkings 方程（FWH）。