ハイウェイノイズは、主要な輸送の回廊の近くに位置するコミュニティのための最も有利な環境課題の1つです。物理的な障壁は、長い主要な緩和戦略である一方で、その性能は、高さ、材料、形状、配置、および局所気象の多くの要因に依存しています。 計算式流体力学(CFD)シミュレーションは、ANSYS Fluentで実行され、エンジニアは、単一の立方体がコンクリートを注ぐ前に、騒音バリアの有効性を予測し、最適化するための堅牢で費用効果の高い方法を提供します。 具体的な手順に沿って、この手順を徹底的に説明する手順を説明します。

音の伝搬と騒音バリアの物理

バリアの有効性をシミュレートするには、まず最初にプレイで物理的なメカニズムを理解しなければなりません。空気を通した圧力波として旅行を鳴らす。波が障壁のような固体障害物に遭遇すると、3つの基本的な現象が起こります。

  • []回折] – 特に波長が長い低周波数で、バリアの上部と端の周りの音の曲がり。
  • []反射] - 一部の健全なエネルギーは、バリア面をバウンスし、反対側に増加したレベルを引き起こし、またはマルチパス干渉を生成します。
  • 吸着] - 多孔質または繊維材料は、反射音を低減し、熱に音響エネルギーを変換します。

CFDシミュレーションは、専用の音響ソフトウェア(例えば、]])の波の式として直接音をモデル化しません。 代わりに、それらは通常音響アナログ - 一般的にFfowcs Williams-Hawkings(FW-H)の公式 - フローは、バリアの断続的なデータを予測するために、フローのノイズを予測することができます。 風変速機は、放射性データを変換する、放射性データを予測します。

ANSYS のステップバイステップシミュレーションワークフロー

騒音バリアの有効性をモデル化するための生産グレードのアプローチを説明します。各ステップは、メッシュの品質、境界条件、およびソルバー設定に注意が必要です。

1.幾何学の準備およびモデル構造

ハイウェイセグメントの3D表現を作成することから始まります。以下を含みます。

  • 道路面と車線(多くの場合、平面としてモデル化)。
  • 車両は、単純に漂流した身体や線のノイズ源としてプロファイルします。
  • 騒音障壁(平面、縦、角度を付けられた、または曲げられる)。
  • 特に地形が風パターンに影響を及ぼすと、周囲の地形。

ほとんどのユーザーは、SolidWorksやSpaceClaimなどのツールからCADジオメトリをインポートします。フローや音響に影響を与えない詳細を簡素化します(例えば、小さなボルト、ガードレール)。ドメインは、人工境界効果を避けるために、上流、下流、垂直にいくつかの障壁の高さを拡張する必要があります。

2. 網の生成:正確さへのキー

ANSYS Fluentはメッシュ上での分岐式を解決します。騒音バリアシミュレーションでは、ハイブリッドメッシュが典型的なものです。

  • ] 遠方領域の非構造化立方要素[] は、複雑な幾何学を扱う。
  • [] 壁面と道路面の近くの湾曲したプリズム層] y+ 値が乱流モデルに依存します。壁機能には y+] が30〜300の間で、低レイノルド数モデルが 必要です[FLT:] [FLT:] [FLT:]] [FLT:]] [FLT:]] [FLT:]] [FLT:] [FLT:] [FLT:]] [FLT:] [FLT:] [FLT:] [FLT:] [FLT: [FLT:] [FLT:] [FLT:] [FLT:] [FLT:] [FLT: [FLT:] [FLT:] [FLT:] [FLT:] [FLT: [FLT:] [F] [FLT:] [FLT:] [FLT:] [FLT:]] [FLT:] [FLT
  • 鋭いエッジ、バリアトップ、車両ウェイク領域のローカル精製

メッシュサイズは、関心の最も頻度を解決するのに十分であるべきです。 親指の規則:伝搬の方向に波長ごとの少なくとも10セル。 1 kHzのトーン(波長〜0.34 m)の場合、メッシュ間隔は≤0.33 mでなければなりません。 これは、多くの場合、3Dモデルのセルの数十億分のメッシュにつながります。 ANSYS Fluentのメッシュツール(FluentメッシュまたはTGバランス調整)を使用して、

3.境界条件とソース定義の設定

フローとアコースティックソースを定義します。

  • []入口:[]]] 風速と方向を表す速度プロファイルを指定すると、しばしば、対向境界層を使用して。例:[U(z) =(u*/κ)ln(z/z0)。
  • 出口:] 周囲の静圧の圧力出口。
  • 壁:]]路面、バリア、および地形は滑り止め壁としてモデル化しました。 膿性バリアについては、利用可能な場合、多孔性のジャンプまたはインピーダンス境界条件を使用します。
  • [ 音源:]] は、車種は、車種は、車種が車種と同等のモノポールポイント源として、指定された音力レベル(例えば、車種や速度に応じて80〜110 dBA)で配置されています。また、回転または移動源は、スライドメッシュを使用してシミュレートすることができますが、それは複雑性を増加します。初期スクリーニングでは、固定ダイポールまたはモノポールソースの接尾。

4. ソルバー設定とターブレンスモデリング

ほとんどの高速道路の騒音シミュレーションでは、流れは濁りやすく、圧迫性があります。ANSYS Fluentの推奨設定:

  • ソルバー:]]圧力ベース、平均流量の定常状態、その後、音響計算の一時的な切り替え。
  • []Turbulenceモデル:[ []k-ε(標準または現実)標準壁機能を備えたは、産業用途に共通しています。 バリアの近くで高精度な場合は、]k-ω SSTモデルを使用して、分離が良好に処理します。
  • [ 音響:]] は、Ffowcs Williams–Hawkingsモデルを有効にします。 バリアの背後にある地上レベルの受信機ポイントを定義します(例えば、1.5 mの高さ、10 m、20 m、バリアから50 m)。 ソースを、バリアや指定されたポイントソースの近くで泥棒の渦と照合するように設定します。
  • []Time Step:] 時刻ステップを選択 Δt ≤ 1/(20 f max]) 最高の周波数を解決します。 f max = 1000Hz、 Δ]]t]]] と、 物理的な時間を取得するには、 十分な時間がかかります。 平均値が50秒で実行されます。

5. シミュレーションを実行し、コンバージェンスを監視する

平均流量フィールドを確立するために、まず、定常状態の流れの計算を実行します。 モニター残留物と力係数(例えば、障壁をドラッグ)。 収束(残留物< 1e-4連続、< 1e-5 for turbulence)、過渡モードに切り替えます。 過渡的な実行中に、受信機ポイントで音響圧力信号を監視します。 毎回Autosaveを使用してください。

6. 加工・分析結果のポスト処理

シミュレーション後、ANSYS Fluent は生成できます。

  • 音圧レベル(SPL)[ ドメイン内の輪郭。
  • 受信機の位置(高速4倍の圧力信号変換)の周波数スペクトル[]。
  • []インサートロス[]] - 同じ受信機の障壁なしでSPLの違い。

空中式(例:]]から)または検証のためのフィールド測定に対する結果を比較します。 一般的なメトリック:A級の全体的なレベル(dBA)とスペクトル分布(125 Hz–4 kHz)。

高度なモデリング検討

大気影響を取り入れる

風速、温度勾配、および濁度は音波(反射)を曲げ、伝搬に影響を与えることができます。ANSYS Fluentでは、熱境界条件を指定したり、温度の stratification をモデル化するためにエネルギーの式を使用する。風のために、速度プロファイルを含み、流れが開発できるようにします。障壁自体は、ローカル風流分野を変更し、風潮のゾーンを導入し、より単純な光線路モデルによって捕獲されない方法で騒音を減らすことができます。

吸収性バリアのモデリング

標準的なコンクリートまたは金属製の障壁は、主に音を反映しますが、多くの現代設計は、(例えば、rockwoolと打ち抜かれた金属)absorptive材料を使用します。吸収をシミュレートするには、[ポラスジャンプ]バリア面の境界条件を適用し、材料の吸収係数(α)に対応する圧力低下係数と気孔率を指定します。周波数に依存する吸収のために、より高度なインピーダンス境界条件は、ユーザーが利用できる関数(UD)を介して定義されます。

複数のバリアとキャニオン効果

高速道路(「キャニオン」の2面にバリアを配置)を配置すると、音は複数の回を反映し、両側の高レベルにつながることができます。 CFDは、フル3D反射物理を介してこれをキャプチャします。 同様に、ギャップ(排水またはアクセスのために)の障壁は、高解像度メッシュを必要とする散布を作成します。

検証と現実世界事例

多数の研究は、フィールド測定に対するCFDベースのノイズ予測を検証しました。例えば、テキサス大学の研究者は6レーンの高速道路に隣接する4mの高い障壁をシミュレートし、測定値の2dB以内の予測されたインサート損失(]を参照してください)を発見しました。オランダの別のケーススタディは、ANSYS Fluentを使用して、バリアトップ形状(Y字型対垂直)を最適化し、50BAを離れた3BABを承認しました。

制限事項とベストプラクティス

強力な、騒音バリアシミュレーションのためのCFDは、制約技術者が認めなければならない。

計算費用

高周波数(≥2 kHz)を解決するには、非常に細かいメッシュと小さな時間ステップが必要です。シミュレーションは高価です。多数の設計をスクリーニングするために、エンジニアリングの相関を最初に使用し、重要な構成だけにCFDで精製します。

音源モデリングの精度

シンプルモノポールソースは、実際の車両(タイヤ、エンジン、排気)の指向性をキャプチャしません。より正確なアプローチは、移動源またはフルスケール車両ジオメトリを含みますが、これらはセットアップ時間を増やす。相対比較(バリアA対バリアB)の場合、単純なソースはしばしば十分です。

エッジ周りのメッシュの解像度

バリアトップで回折が発生します。粗いメッシュはこの効果を隠します。最上部の厚さの5～10セルを最小限にし、可能な場合は四角形の要素を使用します。

コンテンツ

ANSYS Fluentは、騒音バリアの有効性を高速道路に沿ってシミュレートするための多目的プラットフォームを提供し、エンジニアは、建設前の複雑なフローアコースティックインタラクションのためのインサートロスの評価、ジオメトリの最適化、およびアカウントの最適化を可能にします。 規律ワークフローの後に、ケアフルジオメトリ、高品質のメッシュ、適切なターブレンスとアコースティックモデル、および徹底的なポストプロセッシングをすることで、設計者は、実際のパフォーマンスと相関する結果を得ることができます。 この方法は、高価なモックアップの信頼性を減らし、より詳細な測定ツールが向上し、より詳細な機能的な最適化を可能にします。

さらなる読書については、ノイズバリア設計と]の[FHWAノイズバリア設計ガイドラインを参照してください。