本文翻譯轉(zhuǎn)載于：Cadence Blog

作者：Veena Parthan

日益城市化的世界中，噪聲污染已成為一項重大挑戰(zhàn)。對于汽車和航空航天工程師而言，這個問題的影響遠不止帶來煩惱，它還對性能和合規(guī)性構(gòu)成了嚴重的擔(dān)憂。過高的噪音水平會對空氣動力學(xué)性能、燃油效率以及法規(guī)標(biāo)準的遵從性產(chǎn)生不利影響。

通常，乘用車在行駛過程中產(chǎn)生的噪音水平在 70 到 80 分貝（dB）之間。相比之下，重型卡車產(chǎn)生的噪音水平甚至可能超過 80 分貝，相當(dāng)于置身于搖滾音樂會現(xiàn)場的體驗。為了解決這一緊迫問題，基于計算流體動力學(xué)（CFD）「1」的高保真噪音預(yù)測工具已變得至關(guān)重要。這些工具使工程師能夠在保持最佳性能的同時設(shè)計出更安靜的車輛，最終有助于減少城市環(huán)境中的噪音污染。

本文將帶您探討高保真噪音預(yù)測如何通過使用 Cadence Fidelity LES 求解器顯著改變汽車和航空航天設(shè)計。同時還將為您展示Cadence Fidelity LES 求解器「2」令人印象深刻的功能，并展示 Cadence高保真噪聲預(yù)測「3」白皮書中介紹的成功應(yīng)用。

什么是高保真噪聲預(yù)測？

高保真噪聲預(yù)測是指對流體流動中湍流氣動力產(chǎn)生的聲音進行高精度模擬。通過使用 Fidelity LES 等工具，工程師可以：

模擬復(fù)雜的氣動聲學(xué)現(xiàn)象。

識別聲源，例如渦旋脫落或壓力波動。

優(yōu)化設(shè)計以降低噪聲并保持性能。

該方法將計算精度與實際效率相結(jié)合，取代了昂貴且耗時的風(fēng)洞試驗。

為什么噪聲預(yù)測對各行各業(yè)都至關(guān)重要?

汽車

車輛噪聲是消費者偏好、法規(guī)合規(guī)性和駕駛舒適度的考量因素。無論是 A 柱周圍的氣流嘶嘶聲，還是后視鏡上的壓力波動，噪聲都會極大地改變?nèi)藗儗ζ嚻焚|(zhì)的感知。工程師需要工具來設(shè)計更安靜的車輛，同時又不犧牲效率。

航空航天

城市空中交通（UAM）系統(tǒng)，例如電動垂直起降（eVTOL）車輛，需要安靜的運行以避免城市交通擁堵。傳統(tǒng)的螺旋槳飛機、噴氣發(fā)動機，甚至下一代旋翼機，都依賴于精確的氣動聲學(xué)模型來滿足日益嚴格的噪聲法規(guī)。

隨著全球城市交通日益擁堵，對可接受噪聲水平的監(jiān)管也日益嚴格。設(shè)計更安靜的解決方案能夠為企業(yè)帶來所需的競爭優(yōu)勢，尤其是在汽車和航空航天行業(yè)。

Fidelity LES：高保真噪聲預(yù)測工具

對于處理復(fù)雜噪聲預(yù)測任務(wù)的工程師來說，F(xiàn)idelity LES堪稱一流的解決方案。它專為高保真仿真量身定制，能夠分析和優(yōu)化從汽車空氣動力學(xué)到超音速噴氣聲學(xué)等各個方面。

Fidelity LES 的主要特點

預(yù)測精度——Fidelity LES 通過解析湍流結(jié)構(gòu)并模擬亞格子細節(jié)，實現(xiàn)了無與倫比的精度。

高效的求解器——針對尖端 GPU 架構(gòu)進行了優(yōu)化，與傳統(tǒng) CPU 平臺相比，可縮短求解時間。

高效的求解器——針對尖端 GPU 架構(gòu)進行了優(yōu)化，與傳統(tǒng) CPU 平臺相比，可縮短求解時間。

可擴展性——專為并行計算而設(shè)計，適用于從本地工作站到超級計算機的各種硬件。

多功能性——可處理垂直起降（VTOL）旋翼的典型低速流動以及高速噴氣式飛機的聲學(xué)問題。

Fidelity LES 的創(chuàng)新

Fidelity LES 的與眾不同之處在于其壁面?；疞ES（WMLES）方法。它通過模擬遠離壁面的湍流結(jié)構(gòu)，同時模化較小的近壁面結(jié)構(gòu)，從而平衡了計算資源需求。此外，該工具集成了先進的反對稱算子，以實現(xiàn)更高階的精度，從而確保了精確度。

高保真噪聲預(yù)測的真實案例研究

01與本田研發(fā)中心合作進行汽車噪聲模擬

本田利用 Fidelity LES 研究了一輛時速 120 公里的轎車的氣動聲學(xué)特性。測試了兩種表面分辨率：

1 毫米分辨率（精細）：可以捕捉 A 柱周圍復(fù)雜的湍流結(jié)構(gòu)，揭示明顯的渦脫落。

2 毫米分辨率（粗糙）：提供一個較寬泛的近似值。

基準算例設(shè)置的網(wǎng)格可視化，表面分辨率為 2 毫米，網(wǎng)格控制體為 1.18 億（Brès et al., 2023b）

分析表明，1 毫米表面分辨率具有更高的精度，與實驗風(fēng)洞數(shù)據(jù)非常接近。Fidelity LES 還展現(xiàn)出令人印象深刻的計算效率，其 GPU 加速模擬運行速度比傳統(tǒng) CPU 設(shè)置快 4 倍。

重要性：

本田驗證了其空氣動力學(xué)優(yōu)化措施在降低車內(nèi)噪聲方面的效果，從而在提升乘坐舒適性的同時，滿足嚴格的噪聲法規(guī)要求。

02垂直起降（VTOL）旋翼的氣動聲學(xué)分析

本田的研究人員使用 Fidelity LES 有限體積模擬軟件測試了不同的旋翼配置（2 至 5 個葉片）。該軟件采用先進的有限體積 LES 求解并結(jié)合 3D Voronoi 網(wǎng)格，對旋翼機至關(guān)重要的低速湍流進行了模擬。

不同轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸平面內(nèi) ?400 ≤ P ? P0 ≤ 400 Pa 壓力場的可視化。圖中還顯示了表面壓力（彩色輪廓圖）（Brès 等人，2023c）

主要發(fā)現(xiàn)：

增加旋翼葉片后，噪聲增加。

模擬結(jié)果與風(fēng)洞測量的聲壓級和寬帶噪聲結(jié)果高度一致。

還模擬了全尺寸 eVTOL 概念模型，以評估計算吞吐量。

重要性：

本研究高亮了設(shè)計更安靜旋翼機的機會，這對于城市空中交通系統(tǒng)的未來至關(guān)重要。

03風(fēng)扇噪聲診斷測試

NASA 的風(fēng)扇噪聲源診斷測試（SDT）是氣動聲學(xué)領(lǐng)域的一個基準案例。使用 Fidelity LES 模擬系統(tǒng)，對采用三出口導(dǎo)流葉片（OGV）的風(fēng)扇在降低轉(zhuǎn)速下進行模擬。

NASA SDT 風(fēng)扇模擬設(shè)置：(a) 放大的計算域視圖，包含消聲區(qū)域（橙色框外）和 FW-H 表面 – s1（藍色）和 s2（紅色）；(b) 計算域劃分，其中綠色部分處于旋轉(zhuǎn)部分（Brès 等人，2023d）

主要成果：

與傳統(tǒng)配置相比，低噪聲導(dǎo)流葉片（OGV）設(shè)計可將聲功率降低 2 dB。

仿真驗證結(jié)果顯示，氣動性能效率誤差小于 0.5%。

重要性：

這些發(fā)現(xiàn)凸顯了 Fidelity LES預(yù)測更安靜、更高效的風(fēng)扇設(shè)計的能力，這些設(shè)計將重塑電動和混合動力商用航空。

04超音速噴氣機噪聲研究

本研究利用 Fidelity LES 模擬超音速噴氣機的聲學(xué)特性。本研究利用 LES 模擬了高熱、過度膨脹的超音速噴氣機產(chǎn)生的噪聲，該噴氣機配備了軍用式收斂-發(fā)散式噴管。Fidelity LES 成功地以更高精度模擬了噪聲分布特性。（將誤差降低至 1-2 dB）。

非均勻入口條件下，瞬時溫度 T/T∞（上圖）從 1（黑色）到 5.5（白色），速度幅值 |u|/C∞（下圖）從 0.1（藍色）到 3.5（紅色）（Brès 等人，2023a）

重要性：

通過模擬降噪設(shè)計，F(xiàn)idelity LES 使下一代超音速噴氣機能夠在不影響速度或性能的情況下滿足噪音標(biāo)準。

Fidelity LES 相較于傳統(tǒng) CFD 解決方案的優(yōu)勢

雖然風(fēng)洞試驗等實驗方法仍然是設(shè)計流程中不可或缺的一部分，但像 Fidelity LES 這樣的高保真工具具有顯著的優(yōu)勢：

成本效益：減少對昂貴原型測試的依賴。

時間效率：與采用 GPU 優(yōu)化工作流程的物理測試相比，決策時間更快。

更深入的洞察：可以直接獲取流動物理和噪聲行為的信息，從而提供洞察并實現(xiàn)更好的設(shè)計迭代。

噪聲預(yù)測的未來

隨著工程解決方案與城市需求的不斷發(fā)展，高保真噪聲預(yù)測仍將是一個關(guān)鍵領(lǐng)域。像 Fidelity LES 這樣的工具可以幫助組織：

開發(fā)可持續(xù)的交通運輸方案。

優(yōu)化各跨行業(yè)的噪聲性能。

確保符合不斷變化的法規(guī)。

通過利用預(yù)測計算方法，CAD、CAE 和 CFD 工程師可以應(yīng)對新興挑戰(zhàn)，同時保持領(lǐng)先地位。

如果您是汽車或航空航天行業(yè)的工程師，現(xiàn)在是時候探索像 Fidelity LES 這樣的高保真工具，并了解它們在實際應(yīng)用中的卓越表現(xiàn)了。