Introducción a la simulación aeroacústica

Un avión sobrevolando un barrio. El ventilador de tu portátil. Acres de turbinas eólicas giratorias. A nuestro alrededor, las máquinas hacen ruido. ¿Cuánto ruido es demasiado? ¿Qué distancia recorre el sonido? ¿De dónde, exactamente, viene todo este ruido?

La simulación aeroacústica, el estudio del sonido generado por un fluido que fluye, es la forma en que los ingenieros y diseñadores identifican el origen de un ruido, comprenden su rango de impacto y modelan soluciones para reducir o eliminar el ruido para cumplir con las normas de sonido y mejorar la experiencia del usuario.

En todas las industrias, la simulación aeroacústica ayuda a los ingenieros a analizar la generación de sonido para mejorar la comodidad y la seguridad. Por ejemplo, en la fabricación, la simulación puede ayudar a identificar los riesgos de pérdida de audición causados ​​por la proximidad del equipo a los operadores. En las turbinas marinas, puede ayudar a proteger la vida marina al identificar formas de reducir la contaminación acústica submarina.

En este artículo, analizaremos específicamente la industria automotriz, donde miles de piezas se ven constantemente afectadas por el flujo de aire. Aquí, las simulaciones aeroacústicas pueden identificar rápidamente la fuente de un sonido y explorar formas de silenciarlo.

Caso de uso de aeroacústica: análisis NVH automotriz

Cuando un pasajero viaja en un automóvil, puede percibir una variedad de sonidos que contribuyen al ruido general, todos los cuales brindan sus propios desafíos para el modelado.

• Ruido de los neumáticos: El ruido de la rotación de los neumáticos contribuye al ruido aerodinámico del flujo externo.
  • + Reto: Modelar la interacción entre un neumático deformado y la carretera.
• Ruido del limpiaparabrisas: El ruido del movimiento del limpiaparabrisas contribuye al ruido aerodinámico del flujo externo.
  • + Reto: Modelado de efectos aero-vibroacústicos, física compleja y modelos de turbulencia.
• Ruido del techo corredizo: cuando un vehículo viaja con el techo corredizo o la ventana lateral abierta, se puede producir una resonancia entre la acústica de la cabina y los vórtices pulsantes que cruzan la abertura, lo que genera el llamado ruido de «golpes».
  • + Reto: Predecir con precisión las estructuras de turbulencia del flujo que llega y cruza la abertura, que tiene una fuerte dependencia con las condiciones de velocidad y los detalles geométricos.
• Ruido del sistema HVAC: El ruido del sistema de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC) de un automóvil contribuye a los niveles generales de ruido percibido y tiene un gran impacto en la comodidad de la cabina de pasajeros.
  • + Reto: Completar un estudio transitorio con componentes giratorios, resolución precisa del campo de flujo turbulento y propagación del ruido hasta el oído del conductor..
• Ruido del hueco de la puerta: Las fluctuaciones de presión inducidas por el flujo en la cavidad del hueco de la puerta generan ruido de cavidad.
  • + Reto: Diferentes condiciones de velocidad y diferentes formas del espacio de la puerta.
• Ruido del espejo lateral y de la ventana: El ruido se genera a partir del flujo turbulento que incide en el vidrio de la ventana generado por las superficies del automóvil y el diseño del espejo lateral.
  • + Reto: La precisión de los modelos de turbulencia y la inestabilidad de las fluctuaciones de presión en las superficies de los automóviles.

¿Cómo puede la simulación reducir el ruido del automóvil?

La simulación aeroacústica ayuda a predecir el impacto combinado de las fuentes de ruido en el nivel de sonido general en ubicaciones específicas, por ejemplo, el asiento del conductor. Ser capaz de predecir el ruido permite a los diseñadores realizar modificaciones en los detalles del automóvil (por ejemplo, la forma de los espejos laterales, algunos huecos de las puertas, ventilaciones, etc.) y los materiales para cumplir con las regulaciones y mejorar la comodidad de los pasajeros.

Ansys Fluent puede resolver problemas complejos de aeroacústica y proporcionar un amplio conjunto de opciones de modelado y capacidades de procesamiento posterior para mejorar el diseño acústico utilizando una variedad de métodos:

• + Métodos de ruido de banda ancha, donde la solución constante se utiliza como base para la estimación de la fuente de ruido.
• + Métodos de analogía acústica, donde la solución de dinámica de fluidos computacional (CFD) se desacopla de la propagación del sonido a través de soluciones de ecuaciones de onda.
• + Métodos directos (es decir, aeroacústica computacional directa), que combinan completamente el cálculo del flujo no estacionario y los campos acústicos. (i.e., direct computational aeroacoustics), which fully couple the calculation of unsteady flow and acoustic fields.

En la última versión del software Ansys, 2022 R1, presentamos un nuevo flujo de trabajo acústico que combina las simulaciones Ansys Fluent CFD con Ansys Sound. Esto permite a los ingenieros utilizar técnicas avanzadas de análisis acústico para analizar las señales de presión acústica calculadas por CFD, que incluyen:

• + Archivos de sonido que le permiten escuchar sonidos simulados.
• + Informes sobre volumen, tonalidad, nitidez y articulación.
• + Traducción de señales de presión para ver indicadores acústicos por ubicación.
• + Múltiples funciones de frecuencia para la composición de sonido.

Cómo hacer simulación acústica en Ansys Fluent

Durante la configuración de la solución en Ansys Fluent, es posible definir una matriz de receptores y propagarles las fuentes de ruido. El nuevo módulo de análisis de sonido amplía las capacidades acústicas de Ansys Fluent, lo que permite a los ingenieros escuchar lo que calcula en su simulación CFD.

Incluso las firmas acústicas cortas generadas en las ubicaciones de los receptores durante las simulaciones CFD se pueden convertir en archivos largos audibles de alta calidad. Además, las herramientas de análisis psicoacústico pueden proporcionar información sobre el impacto de los sonidos predichos en la percepción del oído humano. El análisis acústico en Ansys Fluent también es compatible con la función de respuesta de frecuencia, que permite a los usuarios:

• + Cambie del ruido del componente aislado calculado (por ejemplo, HVAC) a la predicción de ese ruido en la cabina (sin tener que simular la cabina en sí una vez que se haya dado/evaluado la representación de tiempo-frecuencia (TFR))
• + Componga el sonido total de diferentes fuentes (por ejemplo, neumáticos, limpiaparabrisas, HVAC, etc.).

Con un solo clic, es posible transferir las señales acústicas y lanzar análisis acústicos más sofisticados en Ansys Sound.

Para escuchar la composición de diferentes ruidos en un Alfa Romeo Giulietta (cortesía de FCA Italia), consulte el modelo 3D interactivo de acústica fluida a continuación.