Главная > Вытяжки > Расчет акустики в Ansys CFX. Численное моделирование звукового удара в программном комплексе ANSYS CFX Используемые численные методы и доступные типы исследований


Расчет акустики в Ansys CFX. Численное моделирование звукового удара в программном комплексе ANSYS CFX Используемые численные методы и доступные типы исследований




Теперь приведу краткий обзор основных модулей и приложений, используемых в ANSYS Workbench для подготовки и проведения численного анализа.

Engeneering Data – интерфейс для управления базой данных физических

и механических свойств материалов, а также входных параметров математических

моделей.

Design Modeler (пункт Geometry в разделе Component Systems) – приложение для создания геометрических 2D/3D-моделей. Также модуль может работать с импортированной из сторонних CAD-комплексов геометрией: позволяет исправлять дефекты в геометрии, изменять или упрощать геометрическую модель.

Meshing (пункт Mesh в разделе Component Systems) – многофункциональный сеточный препроцессор, который позволяет генерировать высококачественные расчетные сетки в автоматическом режиме для различных типов инженерного анализа. Модуль предоставляет широкий набор инструментов для построения расчетных сеток на основе треугольных и четырехугольных элементов для 2D-моделей и на основе тетраэдров, гексаэдров или пирамидальных элементов для 3D-моделей. В программе заложены алгоритмы для построения структурированных и неструктурированных расчетных сеток, а также возможности качественного разрешения расчетной сетки вблизи твердых стенок и других особенностей моделей, что особенно важно для гидродинамического анализа.

А теперь о том, чем же мы считаем все наши задачки и какой модуль выбрать. В первой статье я не знал насколько хорошо пойдет эта тема, поэтому пробежался по модулям в двух словах. Сейчас рассмотрю подробнее.

Static Structural предназначен для решения задач механики деформируемого твердого тела в статической постановке. При использовании командных вставок на языке APDL функционал модуля может быть расширен для решения, например, связанных задач (термоупругость, пороупругость, электроупругость и т. д.).

Transient Structural – модуль для решения задач динамики конструкций. Основан на неявных схемах интегрирования уравнений движения. Explicit Dynamics/AUTODYN/LS-DYNA – модули, основанные на явных решателях для расчета задач динамики конструкций и моделирования быстропротекающих нелинейных процессов: высокоскоростных ударов, пробитий, фрагментации, разрушения и т. д.

Rigid Dynamics предназначен для моделирования динамики подвижных систем, механизмов. Кинематика механизма описывается путем задания систем координат, связанных с деталями, и выбора параметров, которые однозначно определяют взаимное положение деталей и конфигурацию всего механизма. Перемещения тел

описываются уравнениями движения в форме Кейна, что обеспечивает высокую точность и скорость решения задачи.

Steady-State Thermal/Transient Thermal – анализ установившегося/нестационарного

теплового поля на основе решения уравнения стационарной/нестацио-

нарной теплопроводности.

Fluid Flow (CFX) предназначен для решения задач гидродинамики, а также задач сопряженного теплообмена. Позволяет моделировать широкий спектр физических процессов в жидкостях и газах, таких как нестационарность, турбулентность, многокомпонентность и многофазность среды, химические реакции, радиационное излучение, акустические волны и т. д. Хорошо зарекомендовал себя в задачах турбомашиностроения, где необходимо моделирование течений жидкостей и газов в условиях вращающихся механизмов.

Fluid Flow (Fluent) имеет аналогичный модулю CFX функционал, однако содержит более широкий спектр моделей и методов для моделирования течений с химическими реакциями. Также обладает встроенным редактором расчетных сеток.

Electric – моделирование электрических полей постоянного тока в проводниках.

Thermal-Electric – стационарный электротермический анализ, позволяющий исследовать процессы тепловыделения при прохождении электрического тока по проводнику, а также процессы теплопереноса в твердых телах.

Modal – модальный анализ, расчет собственных частот и форм колебаний.

Harmonic Response – гармонический анализ для определения отклика конструкции на действие гармонических нагрузок. Позволяет оценить негативные последствия вынужденных колебаний – резонанса, усталости и т. д. Рассчитываются только установившиеся моды колебаний в определенном диапазоне частот.

Response Spectrum – анализ отклика конструкции на действие динамических нагрузок, заданных акселерограммой. С помощью линейно-спектрального метода определяются максимальные ответные ускорения одномассовой колебательной системы. Используется для расчета сейсмостойкости сооружений.

Random Vibration – анализ отклика конструкции на действие случайных вибрационных

нагрузок. Прикладываемая нагрузка задается с помощью вероятностных величин.

Этапы решения задач в Workbench можно описать следующей схемой.

То есть сначала создаем геометрию в Design Modeler или SpaceClaim Direct Modeler или же импортируем из других приложений. Кстати, насчет импортирования свойств материала детали, если его нет в библиотеке ANSYS, это доступно только в Inventor. Для этого нужно поставить галочку.

Так же модель можно создать математически описав ее языком APDL.

При импорте, помимо свойств материала можно много чего импортировать. Помимо понятных колонок в Basic Geometry Option есть Advanced Geometry Options. Там можно выбрать тип анализа (2D или 3D), ассоциативность (для передачи свойств материалов, граничных условий и нагрузок на модель, заданных в сторонней CAD-системе), импорт системы координат, SmartCADUpdate (опция предполагает, что если в CAD были изменены некоторые части сборки, то в Design Modeler при повторном импорте осуществляется обновление только измененных частей).

Потом мы строим сетку конечных элементов. Это может быть выполнено с помощью модулей Meshing и ICEM CFD. После того как ANSYS поглотил маленькую конторку, занимавшуюся разработкой алгоритмов сеток ICEM, ее перестали развивать, а алгоритмы постепенно перекочевывают в родной сеточник ANSYS.

Далее в зависимости от типа анализа, который предполагается использовать в работе, производится описание математической модели и подбирается необходимый расчетный модуль. Например, для расчета напряженно-деформированного состояния (НДС) конструкции под действием статических нагрузок следует использовать модуль Static Structural. На данном этапе необходимо задать свойства материалов, граничные и начальные условия задачи, выбрать методы расчета, настроить решатель в соответствии с принятой физико-математической моделью и задать требуемую точность расчета.

Процесс расчета является полностью автоматизированным, однако рекомендуется осуществлять контроль над процессом решения: следить за поведением решения и его соответствием критериям сходимости, выводить на экран дополнительные параметры, позволяющие оценить необходимые количественные характеристики решения, и т. д.

После завершения расчета необходимо проанализировать полученные результаты и, если есть возможность, сравнить их с имеющимися экспериментальными данными. Также следует помнить, что полученное решение не должно зависеть от размера сеточных элементов, что обычно достигается проведением серии расчетов

на сетках различной плотности.

После того как мы вытащили в рабочую область WorkBench нужную нам систему и загрузили модель жмем дважды на клетку Model, что бы открылся Mechanical.

Разберемся с его интерфейсом.

Сверху вполне привычные выпадающие менюшки. Чуть ниже тулбар. Слева древо анализа. Ниже него - detail view, окно в котором отображаются все параметры выделенного в древе элемента, будь то контакт, усилие или сетка. Графическое окно по центру. Там отображается все, что вы выбираете в древе. Выбрали сетку - отображается сетка, выбрали конечный результат - получите. И справа - подсказки для начинающих, то есть выбираем анализ и по подсказкам проводим анализ. Выполненный пункт отображается зеленой галочкой, тот, что требует внимания или данных - зеленым кружочком с i, то,что нужно решить - молнией в желтом.

Сверху в названии окна отображается тип анализа, через тире - название приложения и в квадратных скобках тип лицензии.

Пройдемся по выпадающим меню.

В меню Edit содержатся операции, вызываемые через контекстное меню объектов: удалить (Delete), копировать (Copy), вырезать (Cut), вставить (Paste), дублировать (Duplicate), которая объединяет в себе команды «копировать» и «вставить». Также вкладка содержит команду Select All, позволяющую в один клик выделить все объекты в графическом окне, и команду Find In Tree, позволяющую осуществлять текстовый поиск по меню Outline;

В меню View есть отдельные группы, отделенные линиями.Верхняя это control basic graphics - затенение граней, сеточное представление и прочее.

Чуть ниже в graphical options - закрашивание граней и отображение балок.

Меню Units включает в себя список доступных метрических систем, по умолчанию всегда выбрана система СИ;

Меню Tools включает три основные команды: Addins (запускает менеджер Add-in, который позволяет загружать/выгружать пользовательские подпрограммы, предназначенные для расширения стандартного функционала Meshing), Options (осуществляет доступ к общим настройкам препроцессора Meshing, включая настройки процесса распараллеливания при построении сетки и значения по умолчанию для глобальных параметров сетки) и Variable Manager (запускает менеджер управления переменными в приложении);

Ну help стандартно содержит справочные материалы.

Теперь, ожидаемо, пройдемся по тулбару.

Теперь рассмотрим древо проекта.

В нем отображаются компоненты, соответствующие этапам пред-

процессорной подготовки модели. Их можно разделить на две группы: основные – появляются в дереве по умолчанию при открытии любого проекта, и опциональные – появляются в дереве только для определенных типов геометрической модели или при использовании определенных инструментов в ходе построения сеточной модели.

И так, компоненты древа:

  • Геометрия (Geometry), основной: включает список тел геометрической модели, которая передается из геометрического препроцессора. При выделении заголовка компонента Geometry в окне свойств (Details) ниже древа отображаются глобальные неизменяемые характеристики геометрии. При выделении одного или нескольких тел из списка в окне Details отображаются настройки (выбор системы координат, материала и т. д.) и свойства этих конкретных тел (геометрические размеры, статистика). Таким образом, если физическая постановка задачи подразумевает наличие в геометрической модели нескольких тел с различными характеристиками, то для каждого такого тела могут быть заданы собственные характеристики. При наличии в геометрической модели нескольких независимых тел или их групп в дереве проекта появляется дополнительный компонент Connections, который позволяет настроить соединения между поверхностями (с трением, без трения и т.д.).
  • Системы координат (Coordinate Systems), основной: включает список всех систем координат (глобальную и локальные), используемых в проекте. Используя контекстное меню данного компонента, можно добавить в проект новую систему координат (Insert -Coordinate System) или удалить/скрыть/скопировать уже существующую.
  • Сетка (Mesh), основной: содержит список всех операций и инструментов, применяемых для построения расчетной сетки. В свойствах данного компонента отображены глобальные настройки сетки, а через контекстное меню компонента доступен ряд инструментов для задания локальных настроек сетки
  • Именованные наборы (Named Selection), опциональный: в сеточнике Meshing, помимо возможности построения непосредственно расчетных сеток, существует возможность присвоения имен отдельным элементам модели для последующего определения граничных условий.
Для проведения полноценного расчета нужна сетка. Сетка не просто рандомная, как при конвертации в STL, а настраиваемая. Она подразделяется на конформную (упорядоченную) и неконформную (рандомную).

Под конформностью, то есть согласованностью, понимают такую сетку, в которой элементы удовлетворяют условию: если два элемента сетки пересекаются, то область их пересечения представляет собой их общую грань (или ребро).

Картинка для понимания упорядочивания сетки.

Теперь относительно формы элемента сетки.

Для сеток на поверхностях выделяют 2 типа элементов - это треугольники и четырехугольники.

Для объемных геометрий выделяют ячейки на основе гексаэдров, тетраэдров, призм и пирамид.

Расчетные сетки могут быть гибридными и включать одновременно элементы различных типов.

Для правильной оценки расчета нужна конформная сетка, то есть нужно упорядочить ее так, что бы в местах, где у нас происходят перемещения,деформации сетка была мельче и правильно ориентирована. Для построения сетки на 2D-поверхностях реализованы 3 метода:

1. Quadrilateral Dominant, то есть преобладание четырехугольников. Вся сетка строится преимущественно с помощью четырехугольников. Форма элементов определяется настройкой Free Face Mesh Type, которая имеет два режима. При выборе режима All Quad сеточный препроцессор

принудительно разбивает область на четырехугольные элементы независимо от качества отдельных элементов. При выборе режима Quad/Tri препроцессор строит сетку из четырехугольных элементов, однако в сложных областях, где возможно использование лишь четырехугольных элементов с низким качеством, такие элементы заменяются на элементы треугольной формы с более высоким качеством.

2. Метод Triangle Meshing позволяет разбивать область неструктурированой сеткой с элементами треугольной формы.

3. Метод MultiZone Quad/Tri, в отличие от двух предыдущих, основан на

блочной технологии и позволяет проводить автоматическую декомпозицию сложной геометрии на отдельные блоки с последующим построением на каждом блоке структурированной (там, где это возможно) или неструктурированной сетки в зависимости от выбранных настроек метода. Форма элементов сеток для блоков определяется настройкой Free Face Mesh Type с тремя режимами: All Quad, Quad/Tri и All Tri (аналог метода Triangle Meshing).

Чтобы увидеть различие между метода MultiZone Quad/Tri от методов Quadrilateral Dominant и Triangle Meshing рассмотрим все ту же окружность. В одном случае с Quadrilateral Dominant получим такую картину.

И мы получаем неструктурированную сетку для всей области. Если воспользуемся методом MultiZone Quad/Tri получим структурированную сетку и в процессе построения будет произведена автоматическая декомпозиция геометрии на характерные блоки, что позволяет построить структурированную сетку из прямоугольных элементов для части 1 и оставить неструктурированную сетку для части 2.

Получилось немного сумбурно и многабукав. Кто осилил, тот молодец. Трехмерные меши рассмотрим в следующей статье.

А что бы было понятно, что меши и качество его влияют на итоговый расчет, вот пример плохо и хорошо построенной сетки.

Дополняя базовую платформу COMSOL Multiphysics ® модулем Акустика, вы получаете доступ к специализированным методам анализа акустических колебаний и вибраций, расширяющим возможности программного пакета COMSOL ® .

Модуль Акустика включает инструменты для моделирования следующих задач:

  • Поглотители и демпферы
  • Акустическая маскировка
  • Излучение звука
  • Акустические течения
  • Микрофоны
  • Мобильные устройства
  • Формы колеабний помещений и конструкций
  • Глушители
  • Задачи биологической акустики
  • Объемные акустические волны (ОАВ - BAW)
  • Акустика концертных залов
  • Конвекционная акустика
  • Неустойчивость горения
  • Кориолисовы расходомеры
  • Акустика салонов автомобилей
  • Диффузоры
  • Электроакустические преобразователи
  • Расходомеры
  • Шум от потока жидкости
  • Взаимодействие текучей среды и конструкции в частотной области
  • Слуховые аппараты
  • Импульсные характеристики
  • Шум реактивных двигателей
  • Громкоговорители
  • Микроэлектромеханические акустические датчики
  • Микроэлектромеханические микрофоны
  • Музыкальные инструменты
  • Шум и вибрации механического оборудования
  • Звукопоглощающие материалы и звукоизоляция
  • Неразрушающие испытания и контроль (NDT)
  • Нефтегазоразведка
  • Пьезоакустические преобразователи
  • Реактивные и абсорбционные глушители
  • Акустика помещений и зданий
  • Излучатели
  • Датчики и приемники
  • Гидролокационные устройства (Сонары)
  • Поверхностные акустические волны (ПАВ - SAW)
  • Звукоизоляция
  • Виброакустика
  • Низкочастотные и сверхнизкочастотные динамики и сабвуферы
  • Ультразвук
  • Ультразвуковые расходомеры
  • Подводная акустика (гидроакустика)

Read More

Read Less

Мультифизические связи

Доступные непосредственно в модуле Акустика:

  • Взаимодействие акустических волн и колебаний в твердотельных конструкциях (ASI)
  • ASI в пьезоэлектрических материалах
  • Взаимодействие акустических и пороупругих волн
  • Взаимодействие пороупругих волн и колебаний в твердотельных конструкциях
  • Связывание акустических областей, описываемых на основе МКЭ и МГЭ (FEM и BEM)
  • Связывание акустических областей, описываемых на основе скалярной и термовязкостной акустики
  • Взаимодействие акустических волн с учетом термических и вязких потерь и колебаний в твердотельных конструкциях (Thermoviscous ASI)
  • Взаимодействие акустических волн с учетом фоновых потоков (аэроакустика) и колебаний в твердотельных конструкциях (Aero ASI)

Доступные при наличии дополнительных модулей расширения:

  • Взаимодействие акустических волн и колебаний в твердотельных оболочках
  • Взаимодействие акустических волн с учетом термических и вязких потерь и колебаний и колебаний в твердотельных оболочках
  • Распространение звука в системах трубопроводов
  • Задание электрических характеристик преобразователей на основе сосредоточенных моделей
  • Задание электродинамических свойств магнитов, катушек и мягких сталей в акустических преобразователях
  • Учет осредненного фонового потока в аэроакустике
  • Взаимодействие пороакустических волн и колебаний в твердотельных оболочках

В представленной модели исследуются собственные моды помещения. На внешних границах были заданы сложные импедансные условия, моделирующие звукопоглощающие свойства, использованных в оформлении комнаты материалов.

Распределение уровней звукового давления в салоне автомобиля, создаваемого небольшим динамиком на приборной панели. Модель собрана в интерфейсе Скалярная акустика и содержит примеры описания комплексного импеданса для облицовки салона, ковриков, пластмассовых поверхностей и сидений.

Проектирование гидроакустического сонара из массива преобразователей типа Tonpilz. В модели использованы мультифизические связи для учета взаимодействия упругих колебаний в пьезоэлектрическом материале излучателей и акустических волн в воде, при этом скалярная акустика расчитывается на основе метода граничных элементов. Модель позволяет легко рассчитать и визуализировать механические х-ки и диаграмму направленности проектируемого сонара.

Модель для расчета вибраций в классической пятиступенчатой синхронизированной коробке передач и создаваемого шума в окружающем пространстве. Нестационарное исследование многотельной динамики позволяет рассчитать вибрации коробки передач на заданной частоте вращения двигателя и при заданной внешней нагрузке. Акустический анализ позволяет получить картину распределения уровня звукового давления как в ближней, так и дальней зоне.

Для моделирования классических явлений акустики, таких как рассеяние, дифракция, излучение и распространение звуковых волн, в пакете доступен целый ряд интерфейсов из группы "скалярная акустика". Для задач в частотной области используется уравнение Гельмгольца, для исследований во временной области - классическое скалярное волновое уравнение.

Для описания эффектов на границах разработан и готов к использованию широкий набор граничных условий. Например, вы можете добавить граничное условие, описыающее отражение на стенке или условие импеданса для пористого слоя. На внутренние и внешние границы можно добавлять источники излучения, например, задавать акустическое ускорение, скорость, смещение или давление. Кроме этого, вы можете использовать условия излучения (типа Зоммерфельда) или периодические граничные условия типа Флоке для задания открытых или периодических границ.

Физические интерфейсы группы "Скалярная акустика" позволяют моделировать распространение звука в сложных средах, например, в пористых материалах. Для расчета потерь в пористых и волокнисных материалах можно использовать одну из нескольких усредненных моделей, например, модель Делани - Базли или модель Джонсона - Шампу - Аллара. Учёт термических и вязких потерь в узких областях на границе с жесткими стенками в узких волноводах постоянного поперечного сечения можно реализовать с помощью эквивалентной модели Акустика в узких областях (Narrow-Region Acoustics).

Вы также можете рассчитать и визуализировать внешние поля в моделях с открытыми границами как в ближней, так и в дальней зоне. Полярные графики и диаграммы направленности помогут визуализировать пространственную чувствительность и пространственные отклики.

Интерфейсы группы Скалярная акустика:

  • Pressure Acoustics, Frequency Domain (Скалярная акустика, частотная область)
  • Предназначен для решения задач, описываемых уравнением Гельмгольца с учетом различных инженерных формулировок граничных условий и материальных моделей флюидов
  • Доступно проведения анализа на собственные частоты для расчета акустических мод системы и форм колебаний
  • Предназначен для исследования в динамике распространения акустических сигналов произвольной формы в пространстве
  • Boundary Mode Acoustics (Акустика граничных мод)
  • Рассчет распространяющихся и затухающих мод в волноводах и каналах
  • Pressure Acoustics, Boundary Element (Скалярная акустика, метод граничных элементов)
  • Эффективное решение задач излучения и рассеяния на основе метода граничных элементов
  • Сочетается с интерфейсами, основанными на методе конечных элементах, описывающих, например, вибрации в твердых телах и конструкциях, в т.ч. пьезоэлектрических материалах
  • Pressure Acoustics, Time Explicit (Скалярная акустика, явный решатель для временной области
  • Использует разрывный метод Галеркина для расчета нестационарного распространения звука в помещениях и для эффективного моделирования (в плане использования вычислительных ресурсов) больших задач о рассеянии.

Области применения:

  • Глушители и звукопоглощающие устройства
  • Громкоговорители
  • Излучение шума от оборудования
  • Акустика салонов автомобилей
  • Формы колебаний помещений и строительных конструкций
  • Шумопоглотители и диффузоры
  • Задачи о рассеянии

Расчет акустических характеристик глушителя с пористым звукопоглощающим материалом вдоль стенок. В гармоническом анализе учитываются потери в системе. На изображении показан поток энергии (интенсивность) и визуализированы изоповерхности для амплитуды давления внутри устрйоства.

Громкоговоритель с корпусом-фазоинвертором, расположенный на бесконечной акустически-жесткой плоскости. Данная задача на излучение моделируется с помощью гибридного FEM-BEM подхода: динамик воссоздан с помощью оболочек, описываемых на основе метода конечных элементов, акустика внутренних областей также моделируется методом конечных элементов, а внешнее пространство и излучение - методом граничных элементов. Показано распределение уровня звукового давления на частоте 3000 Гц.

С помощью модуля Акустика можно моделировать взаимодействие акустики и механики конструкций в том или ином устройстве или конструкции. Готовые интерфейсы позволяют исследовать виброакустические эффекты и автоматически связывать области жидкости или газа (флюида) и твердотельной конструкции. Интерфейс Solid Mechanics (Механика твердых тел) использует полные формулировки для описания динамики твердых тел, для моделирования распространения поперечных и продольных волн в твердых телах, а также упругих вибраций. Отдельный интерфейс Poroelastic Waves (Пороупругие волны) моделирует связанное распространение упругих и продольных волн в пористых материалах на основе уравнений Био.

Мультифизические взаимосвязи позволяют легко сочетать в единой модели пористые области, твердотельные области, пьезоэлектрические материалы и области, заполненные флюидом для расчёта и проектирования реальных устройств. Гармонические и резонансные свойства твердотельных конструкций можно рассчитывать с учетом преднапряжений и двусторонней связи с акустикой во флюиде.

Области применения:

  • Влияние механических вибраций на работу глушителей
  • Компоненты громкоговорителей
    • Корпуса для динамиков
    • Динамики и другие излучатели
  • Механическое оборудование
  • Виброакустика
  • Наушники
  • Звукоизоляция и звукопередача в строительных материалах
  • Пьезоэлектрические преобразователи
    • Ультразвуковые преобразователи
    • Линейные рещетки излучателей
    • Гидроакустические преобразователи (Сонары)
    • Массивы сонаров
  • Детальное моделирование пористых материалов и пороупругих волн (теория Био)
  • Задачи обратной связи

Гармонический анализ работы громкоговорителя в фазоинверторе позволяет определить осевую и пространственную чувствительность. В данной модели в рамках единого расчета сочетается расчет механической оболочки и скалярной акустики с помощью преднастроенной мультифизической связи.

Изучая частотную характеристику преобразователя типа Tonpilz, можно установить и определить все ключевые акустический и механический х-ки данного устройства: деформации и напряжения в приборе, излучаемый акустический сигнал, уровень звукового давления, диаграмму направленности в дальней зоне, коэффициента передачи по напряжению и направленность звукового пучка.

С помощью принципов геометрической акустики, реализованных в программном пакете COMSOL ® , можно исследовать высокочастотные системы, в которых длина волны звука значительно меньше их характерных геометрических размеров. Этот функционал полезен для акустического анализа салонов автомобилей, помещений и зданий, например, концертных залов, а также для моделирования распространения звука под водой и в атмосфере.

Области применения:

  • Акустика помещений
  • Акустика концертных залов
  • Подводная гидроакустика
  • Акустика салонов автомобилей
  • Распространение звука в открытых пространствах
  • Атмосферная акустика

Модель расчета акустики небольшого концертного зала с использованием интерфейса Ray Acoustics (Геометрическая акустика). На границах зала заданы свойства поглощения, как функции от частоты, и свойства рассеяния. На основе специализированной опции в постобработке получен импульсный отклик.

Интерфейс Acoustic Diffusion Equation позволяет найти установившееся распределение уровня звукового давления (или плотности акустической энергии) для данного источника звука, расположенного в двухэтажном здании. Решатель на собственные значения позволяет рассчитать времена реверберации в каждом помещении здания. Кривые спада энергии можно найти с помощью нестационарного исследования.

Вы можете эффективно решать задачи вычислительной аэроакустики (CAA) с помощью двухэтапного подхода, реализованного в модуле Акустика. На первом этапе рассчитывается фоновый осредненный поток с помощью инструментов модуля Вычислительная гидродинамика или профиль потока задается пользователем вручную; на втором этапе решается задача распространения звука. Такой подход также называют конвекционной акустикой или моделированием шума в потоке.

Имеются следующие стабилизированные конечно-элементные формулировки:

  • Linearized Navier-Stokes (Линеаризированные уравнения Навье - Стокса)
  • Linearized Euler (Линеаризированные уравнения Эйлера)
  • Linearized potential flow (Линеаризированный потенциальный поток)

Данные формулировки естественным образом учитывают распространение звука в потоке, конвекцию, затухание, отражение и дифракцию акустических волн в потоке. Также возможно провести FSI анализ взаимодействия текучей среды и конструкции в частотной области с помощью преднастроенных взаимосвязей с интерфейсами для расчета твердотельных упругих конструкций.

Области применения:

  • Шум реактивных двигателей
  • Глушители, в т.ч. с фоновым потоком
  • Расходомеры
  • Кориолисовы расходомеры
  • Анализ антивибрационных экранов, звукопоглощающих и перфорированных конструкций в присутствии потока
  • Неустойчивость горения

Акустический анализ резонатора Гельмгольца и влияние осредненного потока в модели, использующей интерфейс Linearized Navier-Stokes, Frequency Domain (Линеаризированные уравнения Навье - Стокса, частотная область). В модели при расчет акустических характеристик резонатора учитываются конвективные эффекты в потоке и затухание, вызванное турбулентностью.

Моделируется акустическое поле осесимметричной впускной камеры в авиационном турбовентиляторном двигателе, созданное источником шума на границе. Результаты моделирования получены для случаев учета сжимаемого безвихревого фонового потока и без него, а такие при учета жестких стенок и стенок со звукопоглощающим покрытием.

Для точного анализа распространения звука в геометриях малых размеров необходимо учитывать потери, связанные с вязкостью и теплопроводностью, в частности, потери в вязком и тепловом акустических граничных слоях. Эти эффекты автоматически учитываются в уравнениях, которые решаются интерфейсами группы "Термовязкостная акустика (Thermoviscous acoustics)".

Эти интерфейсы хорошо подходят для расчета виброакустических моделей в миниатюрных электроакустических преобразователях: микрофонах, мобильных устройствах, слуховых аппаратах и микроэлектромеханических устройствах. Для детального моделирования преобразователей можно использовать встроенные мультифизические связи между твердотельными конструкциями и областями флюида, описываемыми в терминах термовязкостной акустики.

Интерфейс также учитывает дополнительные эффекты, связанные, например, с переходом от адиабатического к изотермическому режиму на низких частотах. Отдельный интерфейс позволяет рассчитывать и обнаруживать распространяющиеся и затухающие моды для узких волноводах и каналах.

Области применения:

  • Мобильные устройства
  • Миниатюрные преобразователи
  • Микроэлектромеханические системы
  • Слуховые аппараты
  • Микрофоны
  • Перфорированные материалы и пластины

Передаточная характеристика приемника с уравновешенным якорем (balanced armature receiver) Knowles ED23146 при стандартизированных измерениях. Результаты моделирования данного миниатюрного громкоговорителя гораздо лучше согласуются с эмпирическими данными от Knowles при учете акустических потерь в системе.

Интерфейсы группы Ultrasound (Ультразвук) позволяют рассчитать нестационарное распространение звуковых волн на большие по сравнению с длиной волны расстояния. Акустические волны с частотой, не слышной человеческому уху, называются ультразвуком. Длина ультразвуковых волн сравнительно мала.

Интерфейс Convected Wave Equation, Time Explicit (Конвекционное волновое уравнение, явный решатель) позволяет проводить численные исследования больших линейных акустических задач во временной области с учетом широкого спектра колебаний и стационарного фонового потока. Интерфейсы идеально подходят для нестационарных моделей с произвольными источниками и полями, зависящими от времени.

Формулировка и расчетная схема интерфейса основана на разрывном методе Галеркина и использует явный решатель (time-explicit solver), требующий небольшого количества памяти.

Области применения:

  • Ультразвуковые расходомеры
  • Ультразвуковые времяпролетные датчики
  • Нестационарное распространение звуковых сигналов в присутствии потока флюида

Основные функции и возможности, доступные в модуле Акустика.

Ниже систематизирован и описан ключевой функционал и преимущества модуля Акустика.

Интуитивный процесс моделирования

Используете ли вы только модуль Акустика либо сочетание различных продуктов семейства COMSOL , процесс моделирования в программном пакете COMSOL ® всегда универсален, логичен и прост. Типичный процесс моделирования состоит из нескольких шагов:

  • Построение геометрии
  • Выбор материалов
  • Выбор подходящего физического интерфейса
  • Задание граничных и начальных условий
  • Создание конечноэлементной сетки, в т.ч. автоматическое
  • Расчет физической модели
  • Визуализация результатов

Интеграция с другими программными платформами

Если вы хотите использовать в модели табличные данные или включить в модель сложную геометрию из сторонней CAD-системы, то для вас найдется подходящий модуль интеграции. С помощью продуктов LiveLink™ вы можете интегрировать программный пакет COMSOL Multiphysics ® со многими сторонними инструментами, например, программным пакетом MATLAB ® , электронными таблицами Microsoft ® Excel ® , пакетом Inventor ® и многими другими.

Используемые численные методы и доступные типы исследований

Программный пакет COMSOL ® использует для расчетов гибкие и эффективные решатели и методы. Частоты, характерные для задач акустики, покрывают несколько декад. Вычислительная сложность расчетов может сильно зависеть от формулировки акустической задачи. Таким образом, ни один конкретный способ или численный метод не подходит к абсолютно всем задачам из данной обласи.

Модуль Акустика содержит четыре различных численных метода: метод конечных элементов (FEM), метод граничных элементов (BEM), метод трассировки лучей (Ray tracing) и разрывный метод конечных элементов Галеркина (dG-FEM). Различные типы исследований дополняют набор численных методов и позволяют выполнять все нужные виды анализа. В частности, в модуль включены исследования в частотной области (frequency domain), исследования на собственные частоты и моды (eigenfrequency и eigenmodes), а также нестационарные исследования во временной области (time domain). Специализированные итерационные методы позволяют решать мультифизические модели с миллионами степеней свободы, сочетая различные подходы в рамках одной задачи.

Модуль Акустика включает формулировки, основанные на следующих методах:

  • Метод конечных элементов (МКЭ - FEM)
  • Самый распространенный и универсальный метод, в котором доступна дискретизация на основе элементов высокого порядка
  • Формулировки для расчетов в частотной области и временной области (на основе неявных решателей)
  • Метод граничных элементов (МГЭ - BEM)
  • Интегральная формулировка исходных уравнений требует задания сетки только на поверхностях и границах
  • Доступна двусторонняя связка с расчетами на основе МКЭ (FEM) для акустических областей и конструкций (твердые тела, оболочки и мембраны)
  • Разрывный метод конечных элементов Галеркина (dG-FEM)
  • Разрывный метод Галеркина на основе явных решателей
  • Нетребовательный к памяти метод для нестационарного расчета больших моделей с миллионами степеней свободы
  • Лучевые методы (Ray Tracing)
  • Предназначены для решения акустических задач на высоких частотах, например, задачи распространения звука под водой или в помещении

В модуле Акустика доступны следующие типы исследований:

  • Исследование в частотной области
  • Рассчитывает акустический отклик и акустические характеристики в заданном диапазоне частот
  • Нестационарное исследование во временной области
  • Времяпролетные расчеты
  • Распространение/нарастание/расплывание конечных акустических импульсов в пространстве
  • Анализ широкополосных акустических сигналов
  • Моделирование нелинейных явлений
  • Исследование на собственные частоты
  • Расчет мод и резонансных частот закрытых пространств и конструкций
  • Расчет добротности и коэффициента потерь
  • Модальный анализ
  • Расчет и обнаружение распространяющихся и затухающих мод в волноводах и каналах

Акустические потери

В модели можно легко учесть акустические потери. Это позволяет моделировать, например, пористые и волокнистые материалы, используя теорию Био с помощью интерфейса Poroelastic Waves (Пороупругие волны). Кроме этого, пористые области в интерфейс для скалярной акустики можно моделировать с помощью эквивалентных материальных моделей типа Poroacoustics (Пороакустика). В числе последних модели Делани - Базли (Delany-Bazley), Мики (Miki) и Джонсона - Шампу - Аллара (Johnson-Champoux-Allard). Также в модели можно учесть затухание с использованием классических аналитических формул или пользовательских выражений, в т.ч. на основе эмпирических данных.

Подробные модели, учитывающие тепловые и вязкостные потери, можно создать с помощью интерфейса Thermoviscous Acoustics (Термовязкостная акустика). Формулировки, используемые в интерфейсе, позволяют учитывать все явления, связанные с акустическими вязкостными и тепловыми пограничными слоями и сконцентрированными в них. При этом доступны встроенные мультифизические связи с вибрирующими конструкциями. В моделях волноводов и других структур с постоянным поперечным сечением можно использовать упрощенный подход на основе усреднения потерь в пограничном слое, реализованный в материальной модели Narrow Region Acoustics (Акустика в узких областях) для скалярной акустики.

Затухание акустических сигналов, распространяющихся в потоке текучей среды с высокими градиентами скорости, температуры или с сильной турбулентностью, можно детально моделировать в интерфейсах группы Linearized Navier-Stokes (Линеаризированные уравнения Навье - Стокса). Фоновый поток можно рассчитать с помощью модуля Вычислительная гидродинамика (CFD).

Электроакустика

При моделировании различных преобразователей вы можете комбинировать функциональные возможности модуля Акустика и модуля AC/DC или модуля MEMS для создания мультифизических конечноэлементных моделей с двусторонней всязимосвязью между акустическими и электродинамическими эффектами. Так, можно детально моделировать магниты и звуковые катушки громкоговорителей или электростатические силы в ёмкостных микрофонах. При моделировании сложных электромеханоакустических преобразователей можно использовать упрощения на основе эквивалентных сосредоточенных цепей на основе схемотехнических или механических элементов. Оба подхода основаны на полной двусторонней взаимосвязи.

Примеры некоторых прикладных задач:

  • Мультифизические модели громкоговорителя с учетом мехнических и электродинамических эффектов
  • Динамики
  • Комбинация распределенных моделей излучателей и эквивалентных сосредоточенных моделей типа Тиля-Смолла
  • Оптимизация магнитных компонентов при помощи модуля AC/DC
  • Микрофоны
  • МЭМС-преобразователи

Задачи на излучение и открытые области

В акустике часто встречаются задачи, в которых акустические волны должны распространяться в свободном (открытом) пространстве без отражения на внешних границах расчетной области. Например, этого требует моделирование пространственной чувствительности преобразователей или расчеты рассеяния в сонарных приложениях. Неотражающие границы в модели можно задать с помощью нескольких различных методов и приемов, доступных в нашем пакете. Для простых задач возможно ограничиться импедансными граничными условиями или условиями излучения на границе (типа Зоммерфельда). Для сложных случаев излучения или сложных мультифизических задач может быть выгодно использовать вспомогательные дополнительные слои со специальными настройками.

Для последних в модуле Акустика доступно несколько формулировок:

  • Идеально согласованные слои (PML - perfectly matched layers), данная методика реализована для всех моделей и доступных в пакете интерфейсов в частотной области
  • Идеально согласованные слои (PML - perfectly matched layers) для временной области, доступные в интерфейсе Pressure Acoustics, Transient (Скалярная акустика, временная область)
  • Так называемые поглощающие слои (Absorbing layers), доступные в интерфейсах на основе разрывного метода конечных элементов Галеркина (dG_FEM) и в интерфейсе *Linearized Euler, Transient* (Линеаризированные уравнения Эйлера, временная область)

Используя мультифизические возможности и гибридный FEM-BEM подход (комбинация метода конечных и граничных элементов), можно эффективно решать задачи с открытыми областями методом граничных элементов с помощью интерфейса Pressure Acoustics, Boundary Element (Скалярная акустика, Метод граничных элементов).

Моделирование на основе пользовательских уравнений: изменяйте исходные уравнения или задавайте пользовательские мультифизические связи

Для полного контроля над моделированием вы можете использовать моделирование на основе пользовательских уравнений (equation-based modeling) для модификации исходных уравнений и граничных условий непосредственно внутри программного обеспечения, подстраивая модели под нужды ваших исследований. Например, возможно моделировать физические явления, не заданные заранее в модуле Акустика в качестве готовых интерфейсов, или создавать новые мультифизические связи. Вы можете изменять материальные модели с учетом нелинейных эффектов, добавляя или изменяя материальные уравнения. Также вы можете связывать физические явления нестандартными методами. Например, можно связать акустику и вычислительную гидродинамику для моделирования акустических течений или нелинейных эффектов образования вихрей под действием звуковых волн.

Кроме этого, реализованные в пакете инструменты для моделирования на основе пользовательских уравнений избавляют от необходимости программировать и создавать собственный расчетные коды с нуля, предоставляя значительно более гибкие возможности и уменьшая время, затрачиваемое на создание моделей и проведение исследований.

Приложения для моделирования: упрощение рабочего процесса и взаимодействия с коллегами и клиентами

Подумайте, сколько времени и сил вы могли бы вложить в новые проекты, если бы вам не приходилось запускать одни и те же модели и проводить однотипные расчеты для других ваших коллег, менее знакомых с численным моделированием в целом и пакетом в частности. С помощью Среды разработки приложений, встроенной в программный пакет COMSOL Multiphysics ® , вы можете создавать приложения для моделирования на основе моделей COMSOL, которые упрощают процесс моделирования, ограничивая изменение входных данных и контролируя выходные данные, выводя только нужные для конечного пользователя результаты. С ними ваши коллеги смогут проводить типовые расчеты самостоятельно.

Интерфейс приложений для моделирования (Simulation Apps) позволяет легко изменять исходные параметры или расчётные данные, например, акустический импеданс, и следить за влиянием изменений, не проводя повторно процесс сборки и настройки всей модели. С помощью приложений вы можете ускорить процесс проведения своих собственных исследований. Кроме того, можно предоставить доступ к приложениям своим коллегам, чтобы они самостоятельно выполняли свои расчеты, освобождая ваше время и силы для других задач.

Рабочий процесс создания и использования приложений для моделирования очень прост:

  • Создайте для вашей сложной акустической модели простой пользовательский графический интерфейс (приложение)
  • Настройте приложение для ваших нужд, выбирая нужные входные и выходные данные, которые будут доступны пользователям
  • Используйте продукт COMSOL Server™ для удаленного хранения и систематизации приложений и предоставления к ним доступа вашим коллегам и/или заказчикам
  • Ваши коллеги и/или заказчики смогут проводить заданные в приложении типовые расчеты и проекты без вашей помощи

Используя функционал приложений для моделирования вы сможете предоставить доступ к численным расчетам и проектированию вашим коллегам внутри отдела и ли лаборатории, всей организации целиком, студентам и аспирантам, клиентам и заказчикам.

Приложение для расчета акустических отражений, созданное в Среде разработки приложений пакета COMSOL Multiphysics с использованием модуля Акустика.

Численное моделирование звукового удара в программном комплексе ANSYS CFX

К.т.н., ведущий научный сотрудник ЦАГИ им. проф. Н.Е. Жуковского.

К.т.н., начальник отдела ЦАГИ им. проф. Н.Е. Жуковского.

В статье исследуется методика расчета звукового удара на местности, индуцированного сверхзвуковым пассажирским самолетом. Выполнено сравнение результатов, полученных с применением программного комплекса ANSYS CFX, с экспериментальными данными. Для оперативного использования промышленного кода ANSYS CFX был разработан макрос, органично включенный в программный интерфейс, что позволило значительно упростить процедуру расчета звукового удара.

Одной из основных задач, которую приходится решать проектировщикам самолетов сверхзвуковой пассажирской авиации, — это минимизация интенсивности волны звукового удара, неизбежно сопровождающей сверхзвуковой полет. Основой для проектирования сверхзвукового летательного аппарата с пониженной интенсивностью звукового удара является прямой расчет эпюры звуковой волны на местности при заданном режиме полета (высота, скорость) и геометрических параметрах самолета.

Методика расчета звукового удара включает решение двух задач: задачи определения ближнего поля около компоновки самолета и задачи распространения звуковой волны в атмосфере до поверхности Земли. Для решения задачи обтекания представляет интерес рассмотрение возможности использования наиболее точных уравнений, которые снимают какие-либо ограничения на форму обтекаемого тела, режимы течения (отрывные или дозвуковые зоны) и позволяют моделировать работу реального двигателя. Основной целью данной работы является разработка методики расчета звукового удара на основе решения осредненных по Рейнольдсу уравнений Навье — Стокса. В качестве системы, реализующей решение осредненных по Рейнольдсу уравнений Навье — Стокса, использовался программный комплекс ANSYS CFX (лицензионное соглашение ЦАГИ № 501024), который был адаптирован к расчету звукового удара и апробирован на тестовых примерах .

Современные программные комплексы, базирующиеся на принципах параллельных вычислений уравнений Навье — Стокса, имеют комплексную модульную структуру и помимо основного решающего модуля включают целый ряд программных средств, позволяющих эффективно выполнять вычислительные эксперименты по обтеканию тела сложной конфигурации потоком газа или жидкости. Основные принципы работы современных программных комплексов вычислительной гидродинамики, таких как ANSYS CFX и ANSYS Fluent, показаны на рис. 1.


летательного аппарата

При расчете звукового удара, то есть при определении возмущений на поверхности Земли, создаваемых пролетающим со сверхзвуковой скоростью летательным аппаратом, трехмерное поле течения может быть разделено на две зоны:

  • зона 1 с характерным размером r порядка длины тела L (r~L) ;
  • зона 2 с характерным размером порядка R высоты полета H (R~Н) .

Обычно Н>>L (например, если высота равна 15 000 м, а длина самолета 50 м, то Н/L =300).

В описанной постановке надо решить две задачи: одна из них формирует начальные данные в трехмерном течении, а вторая рассчитывает распространение возмущения от тела до поверхности Земли.

На первом этапе необходимо рассчитать обтекание компоновки самолета и найти параметры потока вокруг нее (рис. 2). Поверхность S1 является границей возмущенного и невозмущенного потока (конус Маха), плоскость S2 , параллельная скорости набегающего потока, находится под телом, но не касается его. Плоскости S3 и S4 определяются огибающими обратных конусов Маха, исходящих из отрезка АB .

Специально для программного комплекса ANSYS CFX был разработан макрос (рис. 3), который на основе методики позволяет рассчитать эпюру звукового удара на местности по данным расчета ближнего поля. Макрос был интегрирован в постпроцессор CFX-Post.


в среде ANSYS CFX

После того как решена задача обтекания компоновки летательного аппарата, для расчета интенсивности звукового удара прежде всего необходимо в постпроцессоре CFX создать плоскость, параллельную набегающему потоку, которая будет располагаться под летательным аппаратом в непосредственной близости от него, но его не касаться (рис. 4). Эта плоскость на рис. 2 соответствует плоскости S2 . Применение данного метода определения звукового удара на местности требует точного расчета распределения давления в плоскости S2 . Это предъявляет высокие требования к качеству расчетной сетки. При ее подготовке необходимо применять локальное измельчение в области между летательным аппаратом (ЛА) и плоскостью S2 .

Для работы макроса необходимо задать следующие параметры:

  • Inlet Region — граничная поверхность, через которую поток входит в расчетную область;
  • Zhilin Plane — плоскость S2 ;
  • Symmetry — параметр, определяющий, используется полная модель (full) или ее симметричная половина (half);
  • Flight altitude — высота полета ЛА;
  • Body length — характерная длина ЛА;
  • X steps number — число шагов вдоль продольной оси;
  • Altitude steps number — число шагов по высоте.

Два последних параметра определяют степень дискретизации пространства. Установленные по умолчанию значения (500 и 2000 соответственно) позволяют получить решение с достаточно высокой степенью точности. Увеличение числа шагов вдоль продольной оси требует больших затрат оперативной памяти и может привести к сбоям в работе программы.

Рис. 5. Самолет Ту-144: а — вид сзади; б —линии тока
на поверхности расчетной модели и форма струй сопла

Аспирантом МФТИ Чо Кю Чулом был выполнен комплекс тестовых расчетов для самолета Ty-144 (рис. 5а ). Расчеты были сделаны с помощью программного комплекса CFX и разработанного макроса. При моделировании силовой установки Ту-144 необходимо учитывать также влияние струй двигателей на поле возмущения плоскости S2 и эпюру звукового удара. На рис. 6а показаны форма и положение силовой установки, использованные в данной работе. Направление и угол раствора сопла показаны на рис. 6б . Направление струи θcd изменяется с углом атаки, а угол сопла (θc) предполагается равным оптимальному значению — 10 .


а — схема истечения струи; б — сопло

Рис. 7. Влияние струи двигателя на эпюру звукового удара самолета Ту-144: а — эпюра избыточного давления в N-образной волне, б — второй пик в эксперименте

Результаты расчетов в сравнении с экспериментальными данными показаны на рис. 7. Учет струй двигателя создает второй пик в эпюре избыточного давления (рис. 7а ). В эксперименте эпюра избыточного давления звуковой волны самолета Ту-144 имеет также второй пик, более интенсивный (рис. 7б ), что может быть результатом влияния струй сопла, работающих при углах истечения потока из сопла, которые не были зафиксированы при проведении эксперимента. Рис. 5б иллюстрирует характер обтекания самолета Ту-144 с работающими двигателями при расчетных параметрах истечения струи.

Созданный макрос, применимый для любой версии ANSYS CFX и органично включенный в алгоритм этого промышленного кода, который был взят в качестве инструмента определения ближнего поля по уравнениям Навье — Стокса, позволил разработать эффективную процедуру расчета звукового удара на местности.

Литература

  1. Жилин Ю.Л., Коваленко В.В. О связывании ближнего и дальнего полей в задаче о звуковом ударе // Ученые записки ЦАГИ, т. ХХIX. 1998. № 3 и 4. C. 111-122.
  2. Menter F.R., Galpin P.F., Esch T.,
    Kuntz M., Berner C. CFD Simulations of Aerodynamic Flows with a Pressure-Based Method // Paper ICAS 2004-2.4.1. Japan, Yokohama, 2004. 11 p.
  3. Вождаев В.В., Коваленко В.В., Теперин Л.Л., Чернышев С.Л. Методика определения интенсивности звукового удара на местности при исследовании компоновки сверхзвукового пассажирского самолета // Полет. 2013. № 10. C. 17-27.
  4. Завершнев Ю.А., Роднов А.В. Летные испытания сверхзвуковых пассажирских самолетов первого поколения по звуковому удару // Международная научно-техническая конференция «Новые рубежи авиационной науки» ASTEC’07, Москва, 19-22 августа 2007 г.