Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Есептеулік аэроакустика – турбулентті ағындардың сандық әдістер арқылы қоздырған шуын талдауға бағытталған аэроакустиканың бір саласы.
Computational aeroacoustics is a branch of aeroacoustics that aims to analyze the generation of noise by turbulent flows through numerical methods.
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.
The origin of computational aeroacoustics can only very likely be dated back to the middle of the 1980s, with a publication of Hardin and Lamkin who claimed, that "[ ] the field of computational fluid mechanics has been advancing rapidly in the past few years and now offers the hope that "computational aeroacoustics," where noise is computed directly from a first principles determination of continuous velocity and vorticity fields, might be possible, [ ]"
Later in a publication 1986 the same authors introduced the abbreviation CAA. The term was initially used for a low Mach number approach (Expansion of the acoustic perturbation field about an incompressible flow) as it is described under EIF. Later in the beginning 1990s the growing CAA community picked up the term and extensively used it for any kind of numerical method describing the noise radiation from an aeroacoustic source or the propagation of sound waves in an inhomogeneous flow field. Such numerical methods can be far field integration methods (e. g. FW H) as well as direct numerical methods optimized for the solutions (e. g.) of a mathematical model describing the aerodynamic noise generation and/or propagation. With the rapid development of the computational resources this field has undergone spectacular progress during the last three decades.
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.
The compressible Navier Stokes equation describes both the flow field, and the aerodynamically generated acoustic field. Thus both may be solved for directly. This requires very high numerical resolution due to the large differences in the length scale present between the acoustic variables and the flow variables. It is computationally very demanding and unsuitable for any commercial use.
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.
There are multiple methods, which are based on a known solution of the acoustic wave equation to compute the acoustic far field of a sound source. Because a general solution for wave propagation in the free space can be written as an integral over all sources, these solutions are summarized as integral methods. The acoustic sources have to be known from some different source (e. g. a Finite Element simulation of a moving mechanical system or a fluid dynamic CFD simulation of the sources in a moving medium). The integral is taken over all sources at the retarded time (source time), which is the time at that the source is sent out the signal, which arrives now at a given observer position. Common to all integral methods is, that they cannot account for changes in the speed of sound or the average flow speed between source and observer position as they use a theoretical solution of the wave equation. When applying Lighthill's theory to the Navier Stokes equations of Fluid mechanics, one obtains volumetric sources, whereas the other two analogies provide the far field information based on a surface integral. Acoustic analogies can be very efficient and fast, as the known solution of the wave equation is used. One far away observer takes as long as one very close observer. Common for the application of all analogies is the integration over a large number of contributions, which can lead to additional numerical problems (addition/subtraction of many large numbers with result close to zero.) Furthermore, when applying an integral method, usually the source domain is limited somehow. While in theory the sources outside have to be zero, the application can not always fulfill this condition. Especially in connection with CFD simulations, this leads to large cut off errors. By damping the source gradually to zero at the exit of the domain or adding some additional terms to correct this end effect, these cut off errors can be minimized.
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.
Also called 'Acoustic Analogy'. To obtain Lighthill's aeroacoustic analogy the governing Navier Stokes equations are rearranged. The left hand side is a wave operator, which is applied to the density perturbation or pressure perturbation respectively. The right hand side is identified as the acoustic sources in a fluid flow, then. As Lighthill's analogy follows directly from the Navier Stokes equations without simplification, all sources are present. Some of the sources are then identified as turbulent or laminar noise. The far field sound pressure is then given in terms of a volume integral over the domain containing the sound source. The source term always includes physical sources and such sources, which describe the propagation in an inhomogeneous medium. The wave operator of Lighthill's analogy is limited to constant flow conditions outside the source zone. No variation of density, speed of sound and Mach number is allowed. Different mean flow conditions are identified as strong sources with opposite sign by the analogy, once an acoustic wave passes it. Part of the acoustic wave is removed by one source and a new wave is radiated to fix the different wave speed. This often leads very large volumes with strong sources. Several modifications to Lighthill's original theory have been proposed to account for the sound flow interaction or other effects. To improve Lighthill's analogy different quantities inside the wave operator as well as different wave operators are considered by following analogies. All of them obtain modified source terms, which sometimes allow a more clear sight on the "real" sources. The acoustic analogies of Lilley, Pierce, Howe and Möhring are only some examples for aeroacoustic analogies based on Lighthill's ideas. All acoustic analogies require a volume integration over a source term. The major difficulty with the acoustic analogy, however, is that the sound source is not compact in supersonic flow. Errors could be encountered in calculating the sound field, unless the computational domain could be extended in the downstream direction beyond the location where the sound source has completely decayed. Furthermore, an accurate account of the retarded time effect requires keeping a long record of the time history of the converged solutions of the sound source, which again represents a storage problem. For realistic problems, the required storage can reach the order of 1 terabyte of data.
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.
Kirchhoff and Helmholtz showed, that the radiation of sound from a limited source region can be described by enclosing this source region by a control surface the so called Kirchhoff surface. Then the sound field inside or outside the surface, where no sources are allowed and the wave operator on the left hand side applies, can be produced as a superposition of monopoles and dipoles on the surface. The theory follows directly from the wave equation. The source strength of monopoles and dipoles on the surface can be calculated if the normal velocity (for monopoles) and the pressure (for dipoles) on the surface are known respectively. A modification of the method allows even to calculate the pressure on the surface based on the normal velocity only. The normal velocity could be given by a FE simulation of a moving structure for instance. However, the modification to avoid the acoustic pressure on the surface to be known leads to problems, when considering an enclosed volume at its resonant frequencies, which is a major issue of the implementations of their method. The Kirchhoff integral method finds for instance application in Boundary element methods (BEM). A non zero flow velocity is accounted by considering a moving frame of reference with the outer flow speed, in which the acoustic wave propagation takes place. Repetitive applications of the method can account for obstacles. First the sound field on the surface of the obstacle is calculated and then the obstacle is introduced by adding sources on its surface to cancel the normal velocity on the surface of the obstacle. Variations of the average flow field (speed of sound, density and velocity) can be taken into account by a similar method (e. g. dual reciprocity BEM).
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.
The integration method of Ffowcs Williams and Hawkings is based on Lighthill's acoustic analogy. However, by some mathematical modifications under the assumption of a limited source region, which is enclosed by a control surface (FW H surface), the volume integral is avoided. Surface integrals over monopole and dipole sources remain. Different from the Kirchhoff method, these sources follow directly from the Navier Stokes equations through Lighthill's analogy. Sources outside the FW H surface can be accounted by an additional volume integral over quadrupole sources following from the Lighthill Tensor. However, when considering the same assumptions as Kirchhoffs linear theory, the FW H method equals the Kirchhoff method.
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.
A Fourier pseudospectral time domain method can be applied to wave propagation problems pertinent to computational aeroacoustics. The original algorithm of the Fourier pseudo spectral time domain method works for periodical problems without the interaction with physical boundaries. A slip wall boundary condition, combined with buffer zone technique to solve some non periodical aeroacoustic problems has been proposed. Compared to other computational methods, pseudospectral method is preferred for its high order accuracy.