شبیه سازی آکوستیک (نویز آئرودینامیکی) با استفاده از نرم افزارهای CFD
Aerodynamic Noise (Acoustic) Simulation in CFD Softwares
مقوله آکوستیک (Acoustic) ارتباط تنگاتنگی با دینامیک سیالات دارد. نویز آئرودینامیکی از اغتشاش بوجود آمده از دل سیال تراکم پذیر (معمولا هوا) بخاطر حرکت اجسام یا سیال، ناشی می‌شود. اغتشاشات ناشی از خواه حرکت اجسام در سیال و یا خواه حرکت خود سیال موجب تغییرات فشار و متعاقبا چگالی شده و سرعت صوت در سیال را تغییر می‌دهد. این تغییرات بصورت نوسانی بوده و منبع تولید امواج صوتی می‌باشد. در مباحث مهندسی اندازه نوسانات فشار نسبت به فشار محیط به سطح فشار صوت (Sound Pressure Level) معروف است.
بسیاری از صداهایی که از لحاظ فنی در صنعت مهم هستند از اغتشاشات جریان سیال تولید می‌شوند. بنابراین پدیده‌های مرتبط با امواج صوتی را می‌توان در چهارچوب دینامیک سیالات محاسباتی آنالیز و درک نمود. مهمترین مسئله در مدلسازی عددی امواج صوتی اینست که اصوات از انرژی بسیار کمتری (بطور معمول چندین مرتبط -Order- کمتر) نسبت به جریان سیال برخوردار هستند. این مسئله باعث بروز چالش بسیار جدی در محاسبه و پیش‌بینی صداها بویژه در فضای دور دست (Far-Feild) با استفاده از روش‌های CFD می‌شود. چالش مهم دیگری نیز وجود دارد که ناشی از سختی مدلسازی دقیق پدیده‌های جریان سیال نظیر آشفتگی در فضای نزدیک (Near Feild) -که منبع تولید امواج صوتی است- می‌باشد.
نوسانات سرعت و فشار در فضای نزدیک نقشی کلیدی (یک ترم چشمه محلی نویز) در پیش‌بینی و اندازه‌گیری فضای دوردست بازی می‌کند. معمولا نویز دوردست یکی از مهمترین دغدغه‌های طراحان بویژه در حوزه آئرودینامیک می‌باشد. به عنوان مثال ممکن است الزام طراحی براین باشد که حداکثر سطح فشار صدا (Sound Pressure Level) در یک فاصله معین از منبع نویز به مقدار حداقلی مشخصی برسد.
نوسانات فشار و سرعت بعلاوه حرکت اجسام شبیه سازی شده در دامنه محاسباتی منجر به تولید نویز در فضای نزدیک می‌شود هر چند ممکن است بستگی به این داشته باشد که تعریف دقیق فضای نزدیک چه باشد. صرف نظر از تعریفات مرسوم، فضای نزدیک مکانی است که در آن حداکثر سطح نویز اتفاق می‌افتد. برای اغلب کاربردهای CFD، گسترش دامنه محاسباتی به اندازه‌ای می‌باشد که نویز فضای نزدیک را بتوان آنالیز و پیش‌بینی نمود چراکه محاسبه نویز در فضای دوردست مستلزم شبکه مناسب (معمولا شبکه‌های ریز) و گام زمانی قابل قبول (معمولا گام زمانی کوچک) می‌باشد و بنابراین مقرون به صرفه‌تر است که از روابط تجربی برای محاسبه نویز در دوردست استفاده نمود.
منابع نویز
دلایل ایجاد نویز ممکن است متفاوت باشد. به عبارت دیگر چندید منبع مویز متفاوت وجود دارد. بطور کلی منابع ایجاد نویز به سه دسته تک قطبی (Monopole)، دو قطبی (Dipole) و چهارقطبی ( quadrupole) دسته‌بندی می‌شوند.
منبع نویز تک قطبی
تولید نویز بخاطر جابجایی یک مرز متحرک و عمود بر سیال باعنوان تولید نویز از یک منتبع تک قطبی شناخته می‌شود. قدرت منبع تک قطبی وابسته به سرعت عمود بر سیال مرز متحرک است. لازم به ذکر است که منبع تک قزبی با عناوینی همچون Self Noise و یا Thickness Noise نیز نامیده می‌شود.
منبع نویز دو قطبی
تولید نویز بواسطه نوسانات ناشی از فشار روی سطح در محاسباتی CFD -که سطح الزاما دیواره نیست- منبع دو قطبی نامیده می‌شود. اگر سطح دارای یک حرکت دورانی با سرعت دورانی مشخص و یک محور دوران مشخص باشد آنگاه با عنوان منبع دو قطبی دوار (Rotating Dipole Source) شناخته می‌شود. منابع دو قطبی یا دو قطبی دوار ناشی از نوسانات آئرودینامیکی روی سطوح هستند. بعضی اوقات از این منابع با عنوان نویز بارگذاری شده (Loading Noise) نیز اسم برده می‌شود. جان کلام در مورد این منابع اینکه نیروهای مولد صوت را نمی‌توان بدون اطلاعات میدان آکوستیک بطور دقیق محاسبه نمود. اما در استفاده از معادلات لایت هیل (Lighthill) از هر کوپلینگ دوگانه بین آکوستیک و آئرودینامیک صرفه نظر می‌شود چرا که معادلات فوق با فرض اینکه نوسانات آکوستیک نسبت به نوسانات دینامیکی تولید شده توسط سیال بسیار کوچکتر است، استخراج شده‌اند. البته در این شرایط با در نظر گرفتن تنها نیروی آئرودینامیکی، به پاسخ‌های مناسب و قابل قبولی می‌توان رسید. قابل توجه اینست که حتی در برخی اوقات در محاسبه نیروهای آئرودینامیکی از نیروهای اصطکاکی نیز صرفه نظر می‌شود چراکه این نیروها نیز بطور قابل توجهی کمتر از نیروهای فشاری می‌باشند! البته تمام این مفروضات و استراتژی‌ها، به رژیم جریان، دقت مورد نظر و مدل آکوستیکی مورد استفاده بستگی دارد.
منبع نویز چهارقطبی
تولید نویز ناشی از ویژگی‌های خاص داخل میدان جریان به منبع نویز چهارقطبی معروف است. نویزهای چارقطبی برخاسته از دل جریان بخاطر نوسانات آشفتگی در دنباله‌ها (Wakes)، لایه‌های برشی (Shear layers) یا اندرکنش ویژگی‌های سیال (Reaction of Flow Features) می‌باشد. از آنجائیکه بسیاری از این موارد سه بعدی هستند، از این‌رو شبیه سازی منابع چهارقطبی نویز بسیار گرانقیمت و هزینه‌بر است. در چنین شرایطی معمولا از ترم نوسانات چگالی در تانسور لایت هیل صرف نظر می‌شود چراکه مقدار آن بسیار کمتر از تنش‌های فشاری و آشفتگی (تنش‌های رینولدز) است.
روش‌های عددی محاسبه‌ی نویز
نظر به گستردگی، دیسیپلین و چالش‌های موجود در اندازه‌گیری نویز آئرودینامیکی، غیره منتظره نیست که تقریب‌های عددی متعددی مبتنی بر معیارهای متنوعی نظیر کاربری، هزینه و جامعیت، طی سال‌ها توسعه یافته و ارائه شده است. بطور کلی سه روش متداول محاسباتی برای تعیین نویز آئرودینامیکی در CFD وجود دارد که عبارتند از:
1- روش مستقیم (Direct Method)
2- روش انترگرالی مبتنی بر قیاس آکوستیک (Integral Method Based on Acoustic Analogy)
3- مدل‌های منبع نویز پهن‌باند (Broadband Noise Source Models)
روش مستقیم
در روش مستقیم، هر دو نوع از امواج صوتی تولید شده یا انتشار یافته بصورت مستقیم و با حل معادلات دینامیک سیالاتی مناسب محاسبه می‌شوند. در این روش همیشه پیش‌بینی قابل قبول امواج صوتی مستلزم دقت زمانی مناسب برای حل معادلات حاکم می‌باشد. بعلاوه در بیشتر کاربردهای تجربی روش مستقیم، باید از معادلاتی استفاده نمود که توانایی مدلسای مناسب اثرات لزجت و آشفتگی را داشته باشد. معادلات ناپایای ناویر-استوکس (روش DNS)، معادلات RANS و همچنین معادلات فیلتر شده SAS/DES/SDES/SBES و LES از جمله روش‌های مناسب حل میدان جریان آشفته بشمار می‌روند.
با توجه به توضیحات فوق، روش مستقیم از لحاظ محاسباتی مشکل و گرانقیمت است بویژه اگر شبیه‌سازی نویز در فضای دوردست(FarField) مد نظر باشد. به عنوان مثال، برای شبیه‌سازی نویز با استفاده از روش مستقیم در مرزهای دوردست یک هواپیما با چالش فوق‌العاده‌ای از هزینه محاسباتی بویژه هنگام استفاده از DNS و LES همراه با شبکه مناسب آن‌ها مواجه هستیم. اما برای شبیه‌سازی آکوستیک در میدان نزدیک (مثل کابین هواپیما) به دلیل اینکه نویز تولید شده عمدتا ناشی از تغییرات فشار میدان جریان است، امکان استفاده از شبکه درشت‌تر و در نتیجه هزینه محاسباتی به مراتب کمتر وجود دارد.
از آنجائیکه انتشار صوت در این روش مستقیما محاسبه می‌شود بنابراین، معمولا لازمست از معادلات ناویراستوکس تراکم پذیر همراه با مدل‌های آۀشفتگی RANS و معادلات فیلتر شده LES و غیره استفاده نمود. اما در شرایط خاص که در آن سرعت جریان پایین (سرعت در محدوده تراکم ناپذیری) و گیرنده‌های نویز در میدان نزدیک (Near Field) واقع شده و امواج صوتی تولید شده عمدتا ناشی از تغییرات فشاری جریان هستند، امکان استفاده از معادلات ناویر استوکس تراکم ناپذیر نیز وجود دارد اما باید توجه داشت که در این حالت نمی‌توان پدیده‌هایی نظیر بازخورد (Feedback) و تشدید (Resonance) را شبیه سازی نمود.
روش انترگرالی مبتنی بر قیاس آکوستیک
هنوز هیچ تئوری کامل علمی در باره تولید نویز به وسیله جریان‌های آئرودینامیک وجود ندارد. اما روشه‌های متعددی برای تحلیل آئروآکوستیک و بر مبنای قیاس آکوستیکی توسعه یافته‌اند که در آن معادلات حاکم بر جریان به فرمی شیه معادله موج آکوستیک کلاسیک، تبدیل می‌شوند. یکی از رایج‌ترین این روش‌ها استفاده از معادلات لایت هیل است.
لایت هیل معادلات ناویراستوکس حاکم بر جریان تراکم پذیر لزج را بصورت معادله ناهمگن موج بازنویسی کرده و بدین ترتیب پل ارتباطی بین دینامیک سیالات و آکوستیک را بنا نهاد. نسخه عمومی معادلات لایت هیل که مبین سه منبع نویز تکی قطبی، دوقطبی و چهار قطبی است، اولین بار توسط ویلیامز (Williams) و هاوکینز (Hawkins) معرفی گردید که شالوده اصلی بسیاری از روش‌های انتگرالی محاسبات نویز به شمار می‌رود.
برای مدلسازی آکوستیک در فضای میانه تا دوردست (Mid to Far Field) روش‌های مبتنی بر قیاس آکوستیک لات هیل به عنوان جایگزینی مناسب برای روش مستقیم توصیه می‌شود. در این روش نویز در فضای نزدیک با استفاده از روش مستقیم و با حل معادلات ناویر استوکس همراه با معادلات RANS و LES و غیره و در فضای دور دست از روش‌های انتگرالی مبتنی بر قیاس آکوستیکی مدلسازی می‌شود. لازم به توضیح است قیاس آکوستیک اساسا ماهیت و محاسبه انتشار صوت را از تولید آن جدا می‌کند و در نتیجه بر خلاف روش مستقیم، جداسازی فرآیند حل میدان جریان از تحلیل آکوستیکی امکان‌پذیر می‌شود.
مدل‌های منبع نویز پهن باند
در بسیاری از کاربردهای تجربی آکوستیک درگیر با جریان‌های آشفته، نویز هیچ تن (Tone) متمایزی ندارد. به عبارت دیگر انرژی صوت بطور پیوسته روی طیف وسیعی از فرکانس‌ها توزیع شده است. در چنین حالت‌هایی، از مقادیر میانگین آشفتگی برگرفته از معادلات RANS همراه با معادلات تصحیح گر نیمه تجربی قیاس آکوستیک لایت هیل برای پوشش و رهگیری منبع نویز پهن باند استفاده می‌شود. بنابراین، برخلاف دو مدل قبلی روش مستقیم و روش انتگرالی، در مدل نویز پهن باند نیازی به حل انتقالی (ناپایای) برای معادلات حاکم بر جریان سیال نیست و می‌توان با بکارگیری معادلات RANS از مقادیر میانگین میدان سرعت، انرژی جنبشی آشفتگی، نرخ اضمحلال گردابه و غیره استفاده نمود.
نرم افزارهای CFD و شبیه سازی آکوستیک (نویز آئرودینامیکی)
از خانواده نرم افزارهای ANSYS CFD، نرم افزارهای FLUENT، CFX و FENSAP-ICE توانایی محاسبه و ارسال داده‌های منابع آکوستیک تک بعدی، دو بعدی و سه بعدی را دارند. اما از بین این نرم افزارها تنها نرم افزار Fluent است که می‌تواند نویز را شبیه سازی و پیش‌بینی کند. به غیر از این نرم افزارها، نرم افزار FINEtm/Acoustics از محصولات کمپانی Numeca International بطور مشخص برای مدلسازی آکوستیک توسعه یافته است. در این پست قابلیت‌های دو نرم افزار Fluent و CFX برای تحلیل آکوستیک معرفی شده‌اند.
نرم افزار Fluent
نرم افزار Fluent از هر سه روش مستقیم و انتگرالی برای محاسبه پارامترهای تولید و انتشار نویز و همچنین پهن باند برای شبیه سازی نویز از جمله قدرت و توان آن استفاده می‌کند. استفاده از روش مستقیم در این نرم افزار مستتر است و احتیاجبی به تنظیم پارامتر یا پارامترهای خاصی نیست. برای تعیین پارامترهای مناسب برای استفاده از روش انتگرالی مبتنی بر قیاس آکوستیکی لازمست ابتدا تنظیمات مناسب برای حل ناپایای جریان انجام شود. سپس روی گزینه Acoustic در قسمت Setting Up Physics/Models کلیک کرده تا پانل Acoustic Models ظاهر شود و در گام بعدی آپشن Ffowcs-Williams and Hawkings انتخاب گردد(شکل زیر).
لازم به توضیح است که معادلات Ffowcs-Williams and Hawkings:FWH مدل اصلاح شده فرمولاسیون Williams-Hawkings می‌باشد. همچنین لازمست در پانل بالا یکی از گزینه‌های Export Options با فرمت مناسب برای تحلیل آکوستیکی در سایر نرم افزارها انتخاب گردد. در سمت راست پانل یاد شده ثوابت مدل درج شده است که در صورت نیاز می‌توان آن را تغییر داده و تصحیح نمود. در نهایت منابع و گیرنده‌های آکوستیکی طبق فرم‌های نشان داده شده در شکل‌های زیر تعریف شود.
روش دیگر قابل دسترس در نرم افاز Fluent مدل پهن باند (Broadband Model) می‌باشد که توانایی شبیه سازی مشخصات آکوستیک از جمله قدرت و توان آن را دارد. این مدل بسیار ساده و قابل استفاده در جریان‌های پایا نیز هست. همچنین بجز تعیین و یا تصحیح ثوابت مدل نیازی به تعریف پارامتر(های) بیشتری نیست (شکل زیر).
نرم افزار CFX
چندین تقریب برای آنالیز نویز در نرم افزار CFX وجود دارد.نویز میدان نزدیک را می‌توان با تعریف CEL مناسب (شبیه UDF در Fluent) حل کرد و با حل میدان جریان، نقاطی را برای رسم نمودارهای سطح فشار صوت در داخل دامنه محاسباتی تولید نمود. البته در این نرم افزار آکوستیک در فضای دوردست را نمی‌توان مدلسازی نمود. به هر صورت در این نرم افزار امکان ارسال داده‌ها در قالب فرمت CGNS برای سایر نرم افزارهای تحلیل آکوستیک نظیر LMS Sysnoise or Virtual Lab Acoustics و یا هر نرم افزار دیگری وجود دارد. این نرم افزار نیز همانند نرم افزار Fluent توانایی محاسبه انواع منابع تک قطبی، دو فطبی و چهار قطبی را دارد.
مطالب مرتبط
برای کسب اطلاعات بیشتر با ما تماس بگیرید
محمدرضا کلیچ