公路噪音仍然是主要交通走廊附近社区面临的最普遍的环境挑战之一。 虽然有形障碍长期以来一直是主要的缓解战略,但其性能取决于许多因素——高、物质、形状、位置和当地气象学。 在ANSYS Fluent中实施的计算流体动力学模拟,现在为工程师提供了一个强大、成本效益高的方法,在注入一个单一立方体混凝土前预测和优化噪音阻力的有效性。 本条为模拟工作流程提供了透彻、逐步的指导,从管理物理到实际的建模选择,以及现实世界的考虑和外部资源。

声波传播和噪音障碍的物理

为了模拟障碍的有效性,首先必须了解游戏中物理机制。声音像压力波一样在空气中行驶。当一波遇到像障碍一样的固体障碍时,就出现了三种基本现象:

  • 疏导[] – 声波绕屏障的顶部和边缘弯曲,特别是在波长较长的低频段.
  • Reflection – 一些声音能量从屏障表面反弹,可能导致对面水平升高或产生多路径干扰.
  • 吸收 – 聚苯乙烯或纤维材料将声能转化为热,还原反射的声.

CFD模拟不以专用声学软件(例如]ANSYS声学[)的相同方式将声音直接建模为波形方程。相反,它们通常使用声学类比[——最常见的是Ffowcs Williams–Hawkings(FW-H)配方——从波动流场中提取声压水平。屏障的气动干扰与移动流量和风力产生扰动,从而可以与辐射噪声相联。CFD解决了流动的纳维耶-斯托克斯方程,然后将数据处理后用于预测远域噪声。

ASYS 流畅的步态模拟工作流程

以下程序概述了制作噪声屏蔽效果模型的生产级方法。 每一步都需要仔细注意网格质量、边界条件和解析器设置。

1. 几何准备和模型建造

开始为高速公路段创建3D代表。

  • 道路表面和车道(常以平面飞机为模型).
  • 车辆简介作为简化的虚张声势机体或线条噪音源.
  • 噪音屏障(平面、垂直、角度或曲线)。
  • 周边地形,特别是如果地形影响风貌图案.

大多数用户从 SolidWorks 或 Space Conquest 等工具导入 CAD 几何图形,简化不影响流或声的细节(如小螺栓,护栏). 域名应该向上,向下,向上垂直延伸几个屏障高度,以避免人为边界效应.

2. 网格生成:准确度的关键

ANSYS FLUNT在网格上解析盘状方程。对于噪音屏障模拟,典型的混合网格是:

  • ]远场中无结构的四面体元素处理复杂的几何.
  • 屏障和道路表面附近的棱柱层,以捕捉边界层(建议y+] 值取决于流动模型——墙功能需要y+]30至300之间,而低雷诺兹数模型需要y++[1].
  • 地方精细[]围绕尖端边缘,屏障顶部,车辆醒区域.

网格尺寸应该足以解决最高兴趣频率。 拇指规则: 传播方向每波长至少10个单元格。 对于1千赫的音调(波长~0.34米),网格间隔必须是 ±0.03 m。 这往往会导致3D 模型有数千万个单元格的网格。 使用 [[FLT: 0]] ANSYS Fluent 的 Meshing工具[[[FLT: 1] (流媒体或TGrid) 来平衡分辨率与计算成本。

3. 确定边界条件和源定义

定义流源和声源 :

  • 输入: 指定代表风速和风向的速度剖面,经常使用对数大气边界层。例如:[ U(z)=(u*/ob) ond(z/z0)。
  • 输出:[]在环境静压下压力输出.
  • 墙: 道路表面、障碍物和地形以无滑坡墙为模型。对于吸收障碍物,如果有的话,使用多孔跳跃或阻碍边界条件。
  • 音源: 在很多研究中,车辆被建模为在车道中心设置的等效的独角星点源,其音电级(例如,视车辆类型和速度而定的80-110 dBA)也具有特定的声音电源. 或者,旋转或移动源可以使用滑动网格模拟,但这样会增加复杂性. 对于初始筛选,固定的双极或独角星源就足够了.

4. 溶解器设置和涡轮模型

对于大多数高速公路噪声模拟,流线是动荡的,且不可压缩。

  • 索尔弗:[] 压力基,平流稳态,然后切换为瞬态,用于声学计算.
  • 电阻模型:[k- ⁇ [](标准或可实现)具有标准墙功能,对于工业应用来说很常见. 对于靠近屏障的更高精度,使用k- ⁇ 模型,它能更好地处理分离.
  • 声学: 启用Ffowcs Williams–Hawkings模型. 定义屏障后面地面的接收点(例如,高度1.5米,距离屏障10米,20米,50米). 设定源与屏障附近的动荡的eddies或指定的点源相连接.
  • 时间步 选择一个时间步 = = 1/(20 ] f max ] 解决最高频率. for f max = 1000 Hz, = 50 μs. 运行足够物理时间(几秒) 以获得稳定的平均光谱.

5. 模拟和监测聚合

执行稳定状态流计算,首先建立平均流场。 监视剩余和力系数( 如拖曳障碍) 。 一旦聚合( 剩余值 < 1e-4 for continuation, < 1e-5 for building) , 切换到瞬态模式。 在瞬态运行中, 监视接收点的声压信号。 每几个时间步骤自动保存一次 。

6. 处理后和分析结果

模拟后,ANSYS流体可以生成:

  • 域内声压水平(SPL)轮廓.
  • 接收地点的频率光谱(快速变压信号的傅里叶).
  • 吸附损失 — SPL中在同一接收点有屏障和没有屏障的区别.

比较结果与经验公式(例如来自]FHWA噪声障碍设计指南[])或用于验证的场测量结果. 常用的测量标准: A加权总体水平(dBA)和光谱分布(125 Hz–4 kHz).

高级模型考虑

纳入大气影响

风速、温度梯度和动荡可以弯曲声波(折射)并影响传播。在 ANSYS Fluent 中,指定热边界条件或使用能量方程来模拟温度分层。对于风,包括速度剖面,允许流发展;屏障本身可以改变局部风场,引入风影带,可以减少噪音,而减少的噪音不是由简单的射线跟踪模型所捕获。

模拟吸收障碍

标准混凝土或金属屏障在很大程度上反映了声音,但许多现代设计都使用吸收材料(例如带岩石的穿孔金属 ) 。 为了模拟吸收,在屏障面上应用波罗奔腾的跳跃[边界条件,具体说明与材料吸收系数(α)相对应的压力下降系数和孔径度。 对于频率依赖吸收,可以通过用户定义的功能(UDF)获得更先进的阻力边界条件。

多重障碍和峡谷效应

如果在高速公路两侧设置障碍(创建“大连”),声音可以多次反射,导致两侧的高度。 CFD通过全三维反射物理来捕捉到这一点。 同样,有缺口(排水或接入)的障碍会产生散射,需要高分辨率的网格。

鉴定和真实世界案例研究

许多研究都验证了基于CFD的噪音预测与实地测量的对比. 例如,德克萨斯大学的研究人员模拟了一条靠近六道高速公路的4米高屏障,并发现在2分贝内预估的测量值(见[])的插入损失. 本应用声学论文[[. 荷兰的另一项案例研究使用ANSYS流体优化屏障顶部形状(Y-形状对垂直),并在50米外的受体上显示3 dBA改进.

限制和最佳做法

用于噪音屏障模拟的CFD虽然很强大,但也有限制,工程师必须承认:

计算费用

高频( ⁇ 2 kHz)的溶解需要非常精细的间隙和小的时间步骤,使得模拟变得昂贵. 对于筛选大量设计,首先使用工程相关性,然后仅对临界配置进行精细化与CFD.

声音源模型的精确性

简化的垄断源不能捕捉真实车辆(轮胎,引擎,排气)的直径. 更精确的方法涉及移动源或全尺寸车辆几何,但这些增加的设置时间. 对于相对比较(Bbarrier A vs. 屏障 B),简单的源往往足够.

边缘周围的网格分辨率

隔膜在屏障顶部发生;粗密的网状膜涂抹这种效果。确保至少5至10个细胞横跨顶部厚度,并尽可能使用四元元素。

结论

ANSYS Fluent为模拟高速公路沿线噪声屏蔽效果提供了一个多功能平台,使工程师能够评价插入损失、优化几何学和在施工前说明复杂的流声相互作用。 通过遵循一个规范的工作流程——小心几何学、高质量的金属、适当的扰动和声学模型以及彻底的处理后设计者,可以取得与现实世界性能密切相关的结果。 这种方法减少了对昂贵物理模型的依赖,并允许快速更换设计替代方法。 随着计算功率的持续增长,基于CFD的声学优化将成为运输噪声减缓工具包中越来越标准的工具。

欲进一步阅读,请参看ANSYS关于噪声屏障设计的博客和FHWA噪声屏障设计指南.