使用Cadence Fidelity LES求解器进行高保真噪声预测

本文翻译转载于：Cadence Blog

作者：Veena Parthan

日益城市化的世界中，噪声污染已成为一项重大挑战。对于汽车和航空航天工程师而言，这个问题的影响远不止带来烦恼，它还对性能和合规性构成了严重的担忧。过高的噪音水平会对空气动力学性能、燃油效率以及法规标准的遵从性产生不利影响。

通常，乘用车在行驶过程中产生的噪音水平在 70 到 80 分贝（dB）之间。相比之下，重型卡车产生的噪音水平甚至可能超过 80 分贝，相当于置身于摇滚音乐会现场的体验。为了解决这一紧迫问题，基于计算流体动力学（CFD）「1」的高保真噪音预测工具已变得至关重要。这些工具使工程师能够在保持最佳性能的同时设计出更安静的车辆，最终有助于减少城市环境中的噪音污染。

本文将带您探讨高保真噪音预测如何通过使用 Cadence Fidelity LES 求解器显著改变汽车和航空航天设计。同时还将为您展示 Cadence Fidelity LES 求解器「2」令人印象深刻的功能，并展示 Cadence 高保真噪声预测「3」白皮书中介绍的成功应用。

 什么是高保真噪声预测？

高保真噪声预测是指对流体流动中湍流气动力产生的声音进行高精度模拟。通过使用 Fidelity LES 等工具，工程师可以：

模拟复杂的气动声学现象。

识别声源，例如涡旋脱落或压力波动。

优化设计以降低噪声并保持性能。

该方法将计算精度与实际效率相结合，取代了昂贵且耗时的风洞试验。

 为什么噪声预测对各行各业都至关重要?

汽车

车辆噪声是消费者偏好、法规合规性和驾驶舒适度的考量因素。无论是 A 柱周围的气流嘶嘶声，还是后视镜上的压力波动，噪声都会极大地改变人们对汽车品质的感知。工程师需要工具来设计更安静的车辆，同时又不牺牲效率。

航空航天

城市空中交通（UAM）系统，例如电动垂直起降（eVTOL）车辆，需要安静的运行以避免城市交通拥堵。传统的螺旋桨飞机、喷气发动机，甚至下一代旋翼机，都依赖于精确的气动声学模型来满足日益严格的噪声法规。

随着全球城市交通日益拥堵，对可接受噪声水平的监管也日益严格。设计更安静的解决方案能够为企业带来所需的竞争优势，尤其是在汽车和航空航天行业。

 Fidelity LES：高保真噪声预测工具

对于处理复杂噪声预测任务的工程师来说，Fidelity LES 堪称一流的解决方案。它专为高保真仿真量身定制，能够分析和优化从汽车空气动力学到超音速喷气声学等各个方面。

Fidelity LES 的主要特点

预测精度——Fidelity LES 通过解析湍流结构并模拟亚格子细节，实现了无与伦比的精度。

高效的求解器——针对尖端 GPU 架构进行了优化，与传统 CPU 平台相比，可缩短求解时间。

高效的求解器——针对尖端 GPU 架构进行了优化，与传统 CPU 平台相比，可缩短求解时间。

可扩展性——专为并行计算而设计，适用于从本地工作站到超级计算机的各种硬件。

多功能性——可处理垂直起降（VTOL）旋翼的典型低速流动以及高速喷气式飞机的声学问题。

Fidelity LES 的创新

Fidelity LES 的与众不同之处在于其壁面模化LES（WMLES）方法。它通过模拟远离壁面的湍流结构，同时模化较小的近壁面结构，从而平衡了计算资源需求。此外，该工具集成了先进的反对称算子，以实现更高阶的精度，从而确保了精确度。

 高保真噪声预测的真实案例研究

01与本田研发中心合作进行汽车噪声模拟

本田利用 Fidelity LES 研究了一辆时速 120 公里的轿车的气动声学特性。测试了两种表面分辨率：

1 毫米分辨率（精细）：可以捕捉 A 柱周围复杂的湍流结构，揭示明显的涡脱落。

2 毫米分辨率（粗糙）：提供一个较宽泛的近似值。

基准算例设置的网格可视化，表面分辨率为 2 毫米，网格控制体为 1.18 亿（Brès et al., 2023b） 

分析表明，1 毫米表面分辨率具有更高的精度，与实验风洞数据非常接近。Fidelity LES 还展现出令人印象深刻的计算效率，其 GPU 加速模拟运行速度比传统 CPU 设置快 4 倍。

重要性：

本田验证了其空气动力学优化措施在降低车内噪声方面的效果，从而在提升乘坐舒适性的同时，满足严格的噪声法规要求。

02垂直起降（VTOL）旋翼的气动声学分析

本田的研究人员使用 Fidelity LES 有限体积模拟软件测试了不同的旋翼配置（2 至 5 个叶片）。该软件采用先进的有限体积 LES 求解并结合 3D Voronoi 网格，对旋翼机至关重要的低速湍流进行了模拟。

不同转子旋转轴平面内 −400 ≤ P − P0 ≤ 400 Pa 压力场的可视化。图中还显示了表面压力（彩色轮廓图）（Brès 等人，2023c）

主要发现：

增加旋翼叶片后，噪声增加。

模拟结果与风洞测量的声压级和宽带噪声结果高度一致。

还模拟了全尺寸 eVTOL 概念模型，以评估计算吞吐量。

重要性：

本研究高亮了设计更安静旋翼机的机会，这对于城市空中交通系统的未来至关重要。

03风扇噪声诊断测试

NASA 的风扇噪声源诊断测试（SDT）是气动声学领域的一个基准案例。使用 Fidelity LES 模拟系统，对采用三出口导流叶片（OGV）的风扇在降低转速下进行模拟。

NASA SDT 风扇模拟设置：(a) 放大的计算域视图，包含消声区域（橙色框外）和 FW-H 表面 – s1（蓝色）和 s2（红色）；(b) 计算域划分，其中绿色部分处于旋转部分（Brès 等人，2023d）

主要成果：

与传统配置相比，低噪声导流叶片（OGV）设计可将声功率降低 2 dB。

仿真验证结果显示，气动性能效率误差小于 0.5%。

重要性：

这些发现凸显了 Fidelity LES 预测更安静、更高效的风扇设计的能力，这些设计将重塑电动和混合动力商用航空。

04超音速喷气机噪声研究

本研究利用 Fidelity LES 模拟超音速喷气机的声学特性。本研究利用 LES 模拟了高热、过度膨胀的超音速喷气机产生的噪声，该喷气机配备了军用式收敛-发散式喷管。Fidelity LES 成功地以更高精度模拟了噪声分布特性。（将误差降低至 1-2 dB）。

非均匀入口条件下，瞬时温度 T/T∞（上图）从 1（黑色）到 5.5（白色），速度幅值 |u|/C∞（下图）从 0.1（蓝色）到 3.5（红色）（Brès 等人，2023a）

重要性：

通过模拟降噪设计，Fidelity LES 使下一代超音速喷气机能够在不影响速度或性能的情况下满足噪音标准。

Fidelity LES 相较于传统 CFD 解决方案的优势

虽然风洞试验等实验方法仍然是设计流程中不可或缺的一部分，但像 Fidelity LES 这样的高保真工具具有显著的优势：

成本效益：减少对昂贵原型测试的依赖。

时间效率：与采用 GPU 优化工作流程的物理测试相比，决策时间更快。

更深入的洞察：可以直接获取流动物理和噪声行为的信息，从而提供洞察并实现更好的设计迭代。

噪声预测的未来

随着工程解决方案与城市需求的不断发展，高保真噪声预测仍将是一个关键领域。像 Fidelity LES 这样的工具可以帮助组织：

开发可持续的交通运输方案。

优化各跨行业的噪声性能。

确保符合不断变化的法规。

通过利用预测计算方法，CAD、CAE 和 CFD 工程师可以应对新兴挑战，同时保持领先地位。

如果您是汽车或航空航天行业的工程师，现在是时候探索像 Fidelity LES 这样的高保真工具，并了解它们在实际应用中的卓越表现了。