1、超音速射流噪声仿真分析算例来源：Fluent Tutorial 培训教程算例制作：季锃钏算例校核：关 键 词：摘要本算例使用 ANSYS Fluent 19.0 软件，对超音速射流流动进行直接气动声学仿真，文档内包含详细的网格导入、模型选择、材料物性、边界条件、求解参数、后处理的设置。通过仿真计算获得射流流场和射流噪声。案例描述本算例仿真的案例为以简化的 2D 喷嘴射流模型，喷嘴出口宽度为 1 个直径长度，喷嘴形状与流动条件数据皆参考 Poton 和 Seiner1 的实验。1 Ponton,M.K.,and Seiner,J.M.,“The Effect of Nozzle Exit Lip
2、 Thickness on Plume resonance,”Journal of Sound and Vibration,Vol.154,Issue 3,1992,pp.531-549操作步骤3.1.创建工作目录并启动 Fluent在硬盘上创建英文名称的文件夹（例如 Jetnoise），将网格文件 mesh-caa-jet-screech.msh.gz 拷贝至该目录下。启动 Fluent 19.0，在 Fluent Launcher 中，Dimension 选择 2D，Display Options 中勾选 Display Mesh After Reading 和 Workbench Col
3、or Scheme，勾选 Double Precision，Processing Options 选择 Serial，设置使用单核计算（用户可以根据现有的硬件资源和 License 授权酌情选择合适的并行数），更改 Working Directory 路径至该网格文件目录下，点击 OK 启动Fluent 19.0。操作步骤菜单中点击【File】【Read】【Mesh】，选取网格文件 mesh-caa-jet-screech.msh.gz，点击 OK 导入网格。此时，图形界面中可以查看导入的网格。本案例网格为四边形-三角形混合网格，结构化四边形网格使用在喷嘴出口及下游 20倍喷嘴直径，用以捕捉喷
4、嘴出口流体的射流剪切层及剪切层扰动波和激波位置，三角形网格布置在远场区域。操作步骤3.General 一般设置在最左侧的树中，鼠标左键双击【Setup】【General】，进行网格相关的操作以及选择求解器。1.缩放网格树中点击【Setup】【General】【Mesh】【Scale】，View Length Unit In 选择 m，以米为单位查看当前模型的尺寸范围是否正确。选择 Scaling 下的 Convert Units，在 Mesh Was Create In 中选择 in，点击 Scale，将原来以英寸尺寸定义的数值转化为米。操作步骤3.3.2.检查网格点击 Check，在 Con
5、sole 下查看网格相关信息，检查最小体积是否存在负网格。操作步骤4.Models 模型设置在最左侧的树中，鼠标左键双击【Setup】【Models】，进行物理模型设置。1.设置求解类型在 General 下选择 Solver Type 为 Pressure-Based，Velocity Formulation 为Absolute，Time 为 Steady，2D Space 为 Axisymmetric。操作步骤3.4.2.打开能量方程树中【Setup】【Models】【Energy】，鼠标右键单击 Energy，选择 on，即激活能量方程。操作步骤3.4.3.选择湍流模型树中【Setup】
6、【Models】【Viscous】，鼠标左键双击 Viscous，Model中选择 k-epsilon，设置 Near-Wall Treatment 为 Standard Wall Functions。修改Model Constants 下的各数值 2，C2-Epsilon 为 2.02，TKE Prandtl Number 为0.324，TDR Prandtl Number 为 0.377，Energy Prandtl Number 为 0.422。其余设置默认，点击 OK 完成设置。操作步骤点击窗口中 Fluent Database 选项，在弹出的对话框中 Fluent Fluid Mat
7、erials 下选中 water-liquid，点击 Copy 将水的属性参数复制到材料库中。点击 Close 退出材料属性库选项框。2 本次修改参考文献针对预测湍流射流问题对标准 k-e 方程各参数的修改。Thies,A.,and Tam,C.K.W.,“Computation of Turbulent Axisymmetric andNonaxisymmetric Jet Flows Using the k-e model,”AIAA Journal,Vol.34,No.2,1996,pp.309-316.操作步骤3.5.Materials 材料设置在最左侧的树中，鼠标左键双击【Setup
8、】【Materials】，进行材料物性设置。在 Materials 的 Task Page 中选中 Fluid 下的 air，点击 Create/Edit，在弹出的 Create/Edit Materials 窗口中，选择 Properties 下 Density 为 ideal-gas。修改粘性公式 viscosity 为 sutherland，在弹出的对话框中选择 Three Coefficient Method，其余参数默认设置，点击 OK 回到 Create/Edit Materials 窗口，点击 Change/Create完成材料属性定义。操作步骤3.6.Cell Zone Con
9、ditions 设置在最左侧的树中，鼠标左键双击【Setup】【Cell Zone Conditions】，进行体网格区域条件的设置。操作步骤在 Cell Zone Conditions 的 Task Page 中点击【Operating Conditions】，在弹出的 Operating Conditions 窗口中，设置 Operating Pressure 为 0，点击 OK 退出。选中 air，点击 Edit，确认 Material Name 中的材料为 air，点击 OK 关闭对话框。操作步骤选中 air-lam，点击 Edit，确认 Material Name 中的材料为 air
10、，勾选 Laminar Zone，此处在本次仿真中假设流动状态为层流流动，这样可以更容易激发混合层不小扰动波的形成。操作步骤3.7.Boundary Conditions 设置在最左侧的树中，鼠标左键双击【Setup】【Boundary Conditions】，进行边界条件的设置。操作步骤3.7.1.定义进口边界条件在 Boundary Conditions 的 Task Page 中，鼠标左键单击选中 inlet，点击【Edit】，弹出 Pressure Inlet 窗口，Momentum 选项卡中设置 Gauge Total Pressure 为 242496.5 pascal，Super
11、sonic/Initial Gauge Pressure 为 127360 pascal。保持 Direction Specification Method 为 Normal to Boundary。设置Turbulence 下的 Specification Method 为 Intensity and Hydraulic Diameter，设置Turbulent Intensity 为 0.1%，Hydraulic Diameter 设置为 0.0254 m。在 Thermal 选项卡下设置 Total Temperature 为 300 k，点击 OK 完成设置。操作步骤3.7.2.定义出
12、口边界条件在 Boundary Conditions 的 Task Page 中，鼠标左键单击选中 far-field，确认其Type 是 pressure-outlet，如果不是，从 Type 的下拉菜单中切换选择。点击【Edit】，弹出 Pressure Outlet 窗口，在 Momentum 选项卡中，Gauge Pressure 设置为 100000 pascal。Backflow Turbulent Intensity 改为 1%，Backflow Turbulent ViscosityRatio 改为 2。在 Thermal 选项卡下设置 Total Temperature 为
13、300 k，点击 OK 完成设置。注意：本次计算采用压力基耦合（pressure-based coupled）求解器，无反射边界条件无法应用于压力基求解器，为了避免出口边界的声波伪反射，出口被安置在 500 倍声波波长外，并且采用比声波波长大很多的粗网格尺寸来保证数值粘性在到达出口时已经完全被耗散。操作步骤3.7.1.定义壁面边界条件在 Boundary Conditions 的 Task Page 中，鼠标左键单击选中 wall-back，确认其Type 是 Wall，点击【Edit】，弹出 Wall 窗口。在 Shear Condition 下选择Specified Shear，在 She
14、ar Stress 下设置 X-Component 和 Y-Component 为 0 pascal。操作步骤在 Thermal 标签栏下保持默认设置，Heat Flux 为 0 w/m2，表示该壁面为绝热壁面。其余壁面也按照 wall-back 一样设置，可以采用 Fluent 的 copy 功能。在 Boundary Conditions 的 Task Page 中，选择 Copy，在弹出对话框中 From Boundary Zone中选择 wall-back，在 To Boundary Zones 中选择所有面，包括mic1，mic2，wall-lip 和 wall-lip-lam，点击
15、 Copy 完成复制命令。操作步骤3.8.Solution Methods 求解方法设置在最左侧的树中，鼠标左键双击【Solution】【Methods】，进行求解方法的设置。选择 Scheme 为 Coupled。选择 Spatial Discretization 下 Gradient 为 Green-Gauss Node Based，Pressure 为 Second Order，Density、Momentum、Turbulent Kinetic Energy、Turbulent Dissipation Rate 和 Energy 为 QUICK 格式。操作步骤在最左侧的树中，鼠标左键双
16、击【Solution】【Controls】，进行松弛因子的设置。设置 Flow Courant Number 为 50，在 Explicit Relaxation Factors 下的Momentum 和 Pressure 中填入 0.25。在 Under-relaxation Factors 下的 Density 中填入 0.25，Body Forces 为 1，Turbulent Kinetic Energy 为 0.8，Turbulent Dissipation Rate 为 0.8，Turbulent Viscosity 为 1，Energy 为 1。操作步骤3.9.Initializ
17、ation 初始化树中【Solution】【Initialization】，鼠标左键双击 Initialization，在 Task Page中确认 Initialization Methods 选择为 Standard Initialization，在 Initial Values 下设置 Gauge Pressure 为 100000 pascal，Turbulent Kinetic Energy 为 0.1 m2/s2，Turbulent Dissipation Rate 为 6 m2/s3，Temperature 为 300 K。点击 Initialize 按钮 进行初始化。操作步骤多
18、重网格初始化，在 Console 窗口输入 solve initialize set-fmg-initialization，回车键键入，直到出现 set FMG courant-number，输入 0.15，其余设置保持默认值，在 enable FMG verbose？提示信息后输入 yes。完成之后，再在 Console 窗口下输入 fmg-initialization yes。完成多重网格初始化。操作步骤3.11.Monitors 监视设置3.10.1.残差监视设置树中【Solution】【Monitors】【Residual】，鼠标左键双击，确保 Plot 选项被勾选。选择去选 Equa
19、tions 下所有方程的 Check Convergence 选项，其余设置保持默认，点击 OK 完成设置。操作步骤3.11.Run Calculation 运行计算树中【Solution】【Run Calculation】，鼠标左键双击 Run Calculation，在Task Page 中的 Number of Iterations 输入 200。点击 Calculate 开始运行计算。运行计算开始后，可以在视图窗口中看到残差曲线随迭代步数的变化。操作步骤3.12.Post-processing 后处理在最左侧的树中，使用【Results】中的相关工具，对稳态计算结果进行后处理。树中【R
20、esults】【Graphics】【Contours】，鼠标左键双击 Contours，弹出 Contours 窗口。在 Options 中勾选 Filled 选项，在 Contours of 下面选择Velocity，Mach Number。其余保持默认。点击 Save/Display 按钮显示马赫数分布。操作步骤在菜单栏中选择【Viewing】【Views】，在弹出对话框 Mirror Planes 内选中 axis和 axis:012，点击 Apply。即可完整显示喷嘴出口处的流场。在菜单栏中选择【File】【Write】【Case&Data】，保存名为mesh-caa-screech-
21、steady 的 case 和 data 文件。操作步骤3.13.瞬态计算设置3.13.1.修改瞬态计算格式树中鼠标左键双击【Setup】【General】，改 Solver 下 Time 格式为Transient。操作步骤3.13.2.修改求解器中的时间项精度在【Solution Methods】中设置 Transient Formulation 为 Second Order Implicit。操作步骤3.13.3.修改松弛因子在最左侧的树中，鼠标左键双击【Solution】【Controls】，进行松弛因子的设置。3 设置 Flow Courant Number 为 1e+15，设置所有的
22、松弛因子为 1。3 此设置为计算 transient pressure-based coupled solver 推荐的设置，在使用压力基耦合求解器时，1/CFL 作为一个隐式松弛因子作用于连续性方程和动量方程系统中。将 CFL 数设置成一个非常大的数，等同于去除耦合方程组中的松弛项。操作步骤3.13.4.创建用户自定义函数菜单栏中选择【User Defined】【Field Functions】【Custom】，在弹出的对话框中用框中按钮点选编辑表达式 p-100000，在 New Function Name 中输入pa，点击 Define 创建自定义参数。操作步骤3.13.5.流场域内测点
23、 mic1 设置树中【Solution】【Monitors】【Report Plots】，鼠标左键点击 New，进行自定义物理量的监视设置。在弹出的 New Report Plot 窗口中，点击 New，选择 Surface Monitor Area-Weighted Average，在 Name 栏中输入 mic1，在 Field Variable 中选择 Custom Field Functions，pa。并同时在 Surface 选项栏中选择出口 mic1，勾选 Report File 和 Report Plot，点击 OK。操作步骤3.13.6.流场域内测点 mic2 设置回到 New
24、 Report Plot 窗口，鼠标左键点击 New，重新进行自定义物理量的监视设置。在弹出的 New Report Plot 窗口中，点击 New，选择 Surface Monitor Area-Weighted Average，在 Name 栏中输入 mic2，在 Field Variable 中选择 Custom Field Functions，pa。并同时在 Surface 选项栏中选择出口 mic2，勾选 Report File 和 Report Plot，点击 OK。操作步骤回到 New Report Plot 窗口，将 Available Report Definitions 下
25、的 mic1 和 mic2 选中，点击 Add 添加到 Selected Report Definitions 栏下，点击 OK 完成设置。操作步骤3.13.7.计算时间步设置与计算树中【Solution】【Run Calculation】，鼠标左键双击 Run Calculation，在Task Page 中的设置 Time Step Size 为 5e-6 s，Number of Time Steps 为2000，Max Iterations/Time Step 为 10。在菜单栏中选择【File】【Write】【Case&Data】，保存名为mesh-caa-screech-unstea
26、dy-0.00 的 case 和 data 文件。点击 Calculate 按钮进行计算。操作步骤3.14.Post-processing 后处理 2在最左侧的树中，使用【Results】中的相关工具，对计算结果进行后处理。树中【Results】【Graphics】【Contours】【contour-1】，鼠标左键双击 contour-1，弹出 Contours 窗口。保持默认设置。点击 Save/Display 按钮显示马赫数分布。与稳态的结果比较可以看出，稳态计算很大程度上抑制了羽流中的激波结构。操作步骤3.14.1.流场中压力脉动云图显示树中【Results】【Graphics】【Co
27、ntours】，鼠标左键双击 Contours，弹出 Contours 窗口。在 Options 中勾选 Filled 选项，去选 Global Range、Auto Range 和 Clip to Range，Contours of 中选择 Custom Field Functions，pa，在 Min 中填入-300，Max 中填入 300，其余保持默认。点击 Save/Display 按钮显示压力分布。从图中可以看到声波主要沿着射流的上游方向传播。操作步骤3.14.2.声压级显示树中【Setup】【Models】【Acoustics】，鼠标左键双击 Acoustics，在弹出的对话框中
28、Model 下选择 Ffowcs-Williams&Hawkings，保持其他设置默认，点击OK。（此步骤仅为 FFT 分析激活声压级的显示，而 FWH 模型并不用于预测噪声的传播。）操作步骤树中【Results】【Plots】【FFT】，鼠标左键双击 FFT，弹出 Fourier Transform 窗口。勾选选项 Options 中 Acoustics Analysis。点击 Load Input File，选择 mic1-rfile.out 点击 OK。在 Y Axis Function 中选择 Sound Pressure Level（dB），X Axis Function 中选择 F
29、requency（Hz），点击 Plot FFT，在窗口中显示测点 mic1 的声压级图线。操作步骤Console 中显示 Overall Sound Pressure Level in dB(reference pressure=2e-05)=145.425点击 Axes，选择 Axis 为 X，去选 Options 下的 Auto Range。改 Number Format下 Type 为 Float，Precision 为 0，Range 下 Minimum 为 0，Maximum 为 10000，点击 Apply。回到 Fourier Transform 窗口，点击 Plot FFT。显示 010000Hz 的声压级分布，可以看到波谱峰值在 6800Hz 附近。操作步骤同样的，mic2 测点的分布可以显示出来。小结本章内容为超音速射流噪声仿真分析实例，详细介绍了网格导入、模型选择、材料物性、边界条件、求解参数、后处理的设置。采用直接声学模拟射流的稳态结果和瞬态结果，后期通过对压力脉动的快速傅里叶变换获得声压频谱。THANK YOUANSYS 中国ANSYS-China
