本文翻譯轉載于：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。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，它還對性能和合規性構成了嚴重的擔憂。過高的噪音水平會對空氣動力學性能、燃油效率以及法規標準的遵從性產生不利影響。

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

本文將帶您探討高保真噪音預測如何通過使用 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高保真噪聲預測「3」白皮書中介紹的成功應用。

什么是高保真噪聲預測？

高保真噪聲預測是指對流體流動中湍流氣動力產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：

模擬復雜的氣動聲學現象。

識別聲源，例如渦旋脫落或壓力波動。

優化設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合，取代了昂貴且耗時的風洞試驗。

為什么噪聲預測對各行各業都至關重要?

汽車

車輛噪聲是消費者偏好、法規合規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人們對汽車品質的感知。工程師需要工具來設計更安靜的車輛，同時又不犧牲效率。

航空航天

城市空中交通（UAM）系統，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。傳統的螺旋槳飛機、噴氣發動機，甚至下一代旋翼機，都依賴于精確的氣動聲學模型來滿足日益嚴格的噪聲法規。

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

Fidelity LES：高保真噪聲預測工具

對于處理復雜噪聲預測任務的工程師來說，Fidelity LES堪稱一流的解決方案。它專為高保真仿真量身定制，能夠分析和優化從汽車空氣動力學到超音速噴氣聲學等各個方面。

Fidelity LES 的主要特點

預測精度——Fidelity LES 通過解析湍流結構并模擬亞格子細節，實現了無與倫比的精度。

高效的求解器——針對尖端 GPU 架構進行了優化，與傳統 CPU 平臺相比，可縮短求解時間。

高效的求解器——針對尖端 GPU 架構進行了優化，與傳統 CPU 平臺相比，可縮短求解時間。

可擴展性——專為并行計算而設計，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問題。

Fidelity LES 的創新

Fidelity LES 的與眾不同之處在于其壁面模化LES（WMLES）方法。它通過模擬遠離壁面的湍流結構，同時模化較小的近壁面結構，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，以實現更高階的精度，從而確保了精確度。

高保真噪聲預測的真實案例研究

01與本田研發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 柱周圍復雜的湍流結構，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。

基準算例設置的網格可視化，表面分辨率為 2 毫米，網格控制體為 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，與實驗風洞數據非常接近。Fidelity LES 還展現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 CPU 設置快 4 倍。

重要性：

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

02垂直起降（VTOL）旋翼的氣動聲學分析

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 求解并結合 3D Voronoi 網格，對旋翼機至關重要的低速湍流進行了模擬。

不同轉子旋轉軸平面內 ?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）

主要發現：

增加旋翼葉片后，噪聲增加。

模擬結果與風洞測量的聲壓級和寬帶噪聲結果高度一致。

還模擬了全尺寸 eVTOL 概念模型，以評估計算吞吐量。

重要性：

本研究高亮了設計更安靜旋翼機的機會，這對于城市空中交通系統的未來至關重要。

03風扇噪聲診斷測試

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

NASA SDT 風扇模擬設置：(a) 放大的計算域視圖，包含消聲區域（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部分（Brès 等人，2023d）

主要成果：

與傳統配置相比，低噪聲導流葉片（OGV）設計可將聲功率降低 2 dB。

仿真驗證結果顯示，氣動性能效率誤差小于 0.5%。

重要性：

這些發現凸顯了 Fidelity LES預測更安靜、更高效的風扇設計的能力，這些設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生的噪聲，該噴氣機配備了軍用式收斂-發散式噴管。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：

通過模擬降噪設計，Fidelity 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準。

Fidelity LES 相較于傳統 CFD 解決方案的優勢

雖然風洞試驗等實驗方法仍然是設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更好的設計迭代。

噪聲預測的未來

隨著工程解決方案與城市需求的不斷發展，高保真噪聲預測仍將是一個關鍵領域。像 Fidelity LES 這樣的工具可以幫助組織：

開發可持續的交通運輸方案。

優化各跨行業的噪聲性能。

確保符合不斷變化的法規。

通過利用預測計算方法，CAD、CAE 和 CFD 工程師可以應對新興挑戰，同時保持領先地位。

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