Кіріспе

Есептеулік аэроакустика – турбулентті ағындардың сандық әдістер арқылы қоздырған шуын талдауға бағытталған аэроакустиканың бір саласы.

Тарих

Есептеулік аэроакустиканың пайда болуы ең алдымен 1980-жылдардың ортасына дейін барып жетеді, Хардин мен Ламкиннің жарияланымдарымен, олар "[ ] есептеулік сұйықтық динамикасы соңғы бірнеше жылда қарқынды дамып келеді және қазір шуды үздіксіз жылдамдық пен айналмалы өрістердің негізгі принциптерін анықтау арқылы тікелей есептеу мүмкіндігін ұсынатын "есептеулік аэроакустика" деген үміт тудырады, [ ]" деп мәлімдеді. Кейін 1986 жылы осы авторлар CAA аббревиатурасын енгізді. Бұл термин бастапқыда төмен Мах сандары үшін (қысылмайтын ағынға қатысты акустикалық бұзылыс өрісінің кеңеюі) қолданылды, бұл EIF-де сипатталған. Кейін 1990-жылдардың басында CAA қауымдастығы кеңейе бастады және осы терминді аэроакустикалық көзден таралатын шуды немесе біртекті емес ағын өрісінде дыбыс толқындарының таралуын сипаттайтын кез келген сандық әдіс үшін кеңінен пайдаланды. Мұндай сандық әдістер алыс өрістегі интеграциялау әдістері (мысалы, FW-H) және аэродинамикалық шудың пайда болуын және/немесе таралуын сипаттайтын математикалық модельдерді шешуге оңтайландырылған тікелей сандық әдістер болуы мүмкін. Есептеу ресурстарының қарқынды дамуымен бұл сала соңғы үш онжылдықта айтарлықтай прогреске жетті.

CAA-ға тікелей сандық модельдеу (DNS) әдісі

Сығымдалатын Навье-Стокстің теңдеуі ағын өрісін де, аэродинамикалық түрде туындаған дыбыстық өрісті де сипаттайды. Сондықтан екеуін де тікелей шешуге болады. Бұл, дыбыстық айнымалылар мен ағын айнымалылары арасындағы ұзындық өлшемдерінің айқын айырмашылығына байланысты, өте жоғары сандық ажыратымдылықты қажет етеді. Бұл есептеулерді күшті түрде жүктетеді және коммерциялық қолдануға қолайсыз.

Интегралды әдістер

Дыбыс көзінің алыс акустикалық өрісін есептеу үшін, акустикалық толқын теңдеуінің белгілі шешімдеріне негізделген бірнеше әдістер бар. Бос кеңістіктегі толқын таралуының жалпы шешімі барлық көздер бойынша интеграл түрінде жазыла алатындықтан, мұндай шешімдер интегралдық әдістер деп аталады. Акустикалық көздердің мәліметтері басқа көздерден (мысалы, қозғалатын механикалық жүйенің шекті элементтердік симуляциясы немесе қозғалатын ортадағы көздердің сұйықтық динамикалық CFD симуляциясы) белгілі болуы керек. Интеграл барлық көздерден кешіктірілген уақытта (шығарылған уақыт) есептеледі, яғни сигналдың көзден шыққан сәті, ол қазір берілген бақылаушының орнына жетеді. Барлық интегралдық әдістерге тән ерекшелік – олар дыбыс жылдамдығының немесе көз бен бақылаушы орны арасындағы орташа ағын жылдамдығының өзгеруін ескере алмайды, себебі толқын теңдеуінің теориялық шешімін пайдаланады. Литхилл теориясын сұйықтық механикасының Навье-Стокстің теңдеулеріне қолданғанда көлемдік көздер алынады, ал қалған екі аналогия беттік интегралға негізделген алыс өріс туралы ақпаратты ұсынады. Акустикалық аналогтар өте тиімді және жылдам болуы мүмкін, өйткені толқын теңдеуінің белгілі шешімі қолданылады. Алыстағы бақылаушы да, жақын жердегі бақылаушы да бірдей уақыт алады. Барлық аналогтарды қолдануда көптеген компоненттерді интеграциялау қажет, бұл қосымша сандық проблемаларға (көптеген үлкен сандарды қосу/азайту нәтижесінде нөлге жақын мән шығуы) әкелуі мүмкін. Сонымен қатар, интегралдық әдіс қолданылғанда көздердің домені әдетте біршама шектеледі. Теориялық тұрғыдан алғанда, доменнің сыртындағы көздердің мәні нөлге тең болуы керек, бірақ практикада мұндай шартты әрқашан орындау мүмкін болмайды. Әсіресе CFD симуляцияларымен байланысты жағдайларда, бұл үлкен қателерге алып келеді. Доменнің шығысында көздерді біртіндеп нөлге дейін азайту арқылы немесе осы шеттік эффектіні түзету үшін қосымша шарттарды енгізу арқылы осы кесу қателерін азайтуға болады.

Лайтхиллдің ұқсастығы

"Акустикалық ұқсастық" деп те аталады. Лайтхиллдің аэроакустикалық ұқсастығын алу үшін Navier-Stokes теңдеулері қайта реттеледі. Сол жағы – толқын операторы, ол тығыздық немесе қысымдың өзгеруіне қолданылады. Оң жағы сұйық ағынындағы дыбыс көздері ретінде қарастырылады. Лайтхиллдің ұқсастығы Navier-Stokes теңдеулерінен қысқартусыз тікелей туындайтындықтан, барлық көздер ескеріледі. Кейбір көздер турбуленттік немесе ламинарлық шу ретінде анықталады. Алыс өрістегі дыбыс қысымы дыбыс көзін қамтитын домендегі көлемдік интеграл түрінде беріледі. Көздердің мүшесі әрқашан физикалық көздерді және біртекті емес ортада таралуды сипаттайтын көздерді қамтиды. Лайтхилл ұқсастығының толқын операторы көз аймағынан тыс тұрақты ағын жағдайларымен шектеледі. Тығыздық, дыбыс жылдамдығы және Мах санының өзгеруіне жол жоқ. Акустикалық толқын өткеннен кейін, ұқсастық бойынша әртүрлі орташа ағын жағдайлары қарама-қарсы таңбасы бар күшті көздер ретінде анықталады. Акустикалық толқынның бір бөлігі бір көзбен жұтылады, ал жаңа толқын әртүрлі толқын жылдамдығын түзету үшін сәулеленеді. Бұл көбінесе күшті көздері бар өте үлкен көлемдерге алып келеді. Лайтхиллдің бастапқы теориясына дыбыс ағынының өзара әрекеттесуі немесе басқа да әсерлерді ескеру үшін бірнеше түзетулер ұсынылған. Лайтхилл ұқсастығын жақсарту үшін, толқын операторының ішіндегі әртүрлі шамалар, сондай-ақ басқа толқын операторлары қарастырылады. Олардың барлығы өзгертілген көздердің мүшесін алады, бұл кейде "нақты" көздерді анық көруге мүмкіндік береді. Лилли, Пирс, Хоу және Мёрингтің акустикалық ұқсастықтары Лайтхиллдің идеяларына негізделген аэроакустикалық ұқсастықтың бірнеше мысалы ғана. Барлық акустикалық ұқсастықтар көздердің мүшесі бойынша көлемдік интегралдауды талап етеді. Акустикалық ұқсастықтың басты қиындығы – дыбыс көзі үстінқы ағында шоғырланған емес. Дыбыс өрісін есептеуде қателер туындауы мүмкін, егер есептеу домені дыбыс көзі толығымен әлсіреген жерден төмен бағытта кеңейтілмесе. Сонымен қатар, уақыттың кешігу әсерін дұрыс ескеру үшін дыбыс көзінің конвергентті шешімдерінің уақыт тарихын ұзақ сақтау қажет, бұл да сақтау мәселесін тудырады. Нақты проблемалар үшін қажетті сақтау көлемі 1 терабайт дерекке жете алады.

Кирхгофф интегралы

Кирхофф және Гельмгольц көрсеткендей, шектеулі көз аймағынан шыққан дыбыс сәулеленуін осы көз аймағын бақылау бетімен, яғни Кирхофф бетімен қоршау арқылы сипаттауға болады. Содан кейін беттің ішінде немесе сыртындағы дыбыс өрісі, онда көздерге рұқсат етілмейді және сол жақтағы толқын операторы қолданылады, беттегі монопольдар мен дипольдердің суперпозициясы ретінде туындатылуы мүмкін. Теория толқын теңдеуінен тікелей шығады. Егер (монополь үшін) қалыпты жылдамдық және (диполь үшін) беттегі қысым белгілі болса, беттегі монопольдар мен дипольдердің көздік күші есептелуі мүмкін. Әдістің модификациясы тіпті беттегі қысымды тек қалыпты жылдамдыққа сүйене отырып есептеуге мүмкіндік береді. Қалыпты жылдамдық, мысалы, қозғалатын құрылымның FE симуляциясы арқылы берілуі мүмкін. Дегенмен, беттегі дыбыстық қысымды білуді болдырмауға жасалған модификация, оның резонанстық жиіліктерінде жабық көлемді қарастырғанда проблемаларға әкеледі, бұл олардың әдісін іске асырудың маңызды мәселесі болып табылады. Мысалы, Кирхофф интегралды әдісі шекті элементтер әдісінде (BEM) қолданылады. Ағынның нөлдік емес жылдамдығы сыртқы ағын жылдамдығымен жылжымалы координаттық жүйені қарастыру арқылы ескеріледі, онда дыбыстық толқынның таралуы жүзеге асады. Әдістің қайталап қолданылуы кедергілерді ескере алады. Бірінші, кедергі бетіндегі дыбыс өрісі есептеледі, содан кейін кедергі бетіндегі қалыпты жылдамдықты жою үшін кедергі бетіне көздер қосылып, кедергі енгізіледі. Орташа ағын өрісінің өзгеруі (дыбыс жылдамдығы, тығыздығы және жылдамдығы) ұқсас әдіспен (мысалы, екі рет өзара байланысты BEM) ескерілуі мүмкін.

FW-H

Ф. Уильямс пен Хокингстің интеграциялық әдісі Лайтхиллдің акустикалық аналогиясына негізделген. Дегенмен, бақылау бетімен (FW H беті) шектелген, шектеулі көз аймағын қарастыра отырып, математикалық өзгерістер жасау арқылы көлемдік интегралдан қашытылуы мүмкін. Монополь және диполь көздері үшін беттік интегралдар сақталады. Кирхофф әдісінен өзгешелігі, бұл көздер Лайтхилл аналогиясы арқылы Навье-Стокстің теңдеулерінен тікелей туындайды. FW H бетінен тыс жердегі көздерді Lighthill тензорынан туындайтын квадруполь көздері үшін қосымша көлемдік интеграл арқылы есепке алуға болады. Алайда, Кирхоффтың сызықтық теориясындағы сияқты шарттарды ескергенде, FW H әдісі Кирхофф әдісімен бірдей нәтиже береді.

Псевдоспектрлік

Фурье псевдоспектрлік уақыт домені әдісі есептеу аэроакустикасына қатысты толқын таралу мәселелеріне қолданылуы мүмкін. Фурье псевдоспектрлік уақыт доменінің бастапқы алгоритмі физикалық шекаралармен өзара әрекеттеспейтін периодтық мәселелер үшін жұмыс істейді. Кейбір периодты емес аэроакустикалық мәселелерді шешу үшін сырғанақ қабырға шекаралық шарты, буферлік аймақ техникасымен біріктіріліп ұсынылған. Басқа есептеу әдістерімен салыстырғанда, псевдоспектрлік әдіс жоғары дәрежелі дәлдігімен ерекшеленеді.