プレゼンテーションの 概 要 1. 流 体 騒 音 解 析 のニーズ 2. 音 響 の 基 礎 と 音 源 の 種 類 3. 解 析 の 一 般 的 な 流 れ 4. STAR-CCM+の 特 徴 5. キャビティ 定 常 解 析 6. キャビティ 非 定 常 解 析 7. 騒 音 解 析 の 注

STAR-CCM+の 流 体 騒 音 解 析 の 概 要 と 事 例 紹 介 株 式 会 社 CD-adapco

プレゼンテーションの 概 要 1. 流 体 騒 音 解 析 のニーズ 2. 音 響 の 基 礎 と 音 源 の 種 類 3. 解 析 の 一 般 的 な 流 れ 4. STAR-CCM+の 特 徴 5. キャビティ 定 常 解 析 6. キャビティ 非 定 常 解 析 7. 騒 音 解 析 の 注 意 点 8. 事 例 紹 介 9. まとめ 今 後 の 展 開 1

1. 流 体 騒 音 解 析 のニーズ 音 圧 の 低 下 緩 和 によって 製 品 価 値 を 高 める( 使 用 条 件 や 快 音 性 を 向 上 ) Q1. 音 を 低 減 する 為 にはどうすれば 良 いか? A1. 解 析 物 体 表 面 の 圧 力 変 動 や 空 間 内 の 渦 ( 乱 流 ) 発 生 メカニズムを 特 定 Q2. 指 標 となる 代 表 的 な 解 析 結 果 には 何 が 必 要 か? A2. 音 圧 や 音 放 射 コンター( 音 源 の 大 きさと 位 置 の 確 定 )や 周 波 数 特 性 の SPLグラフ(ピーク 周 波 数 を 特 定 ) STAR-CCM+が 大 活 躍! 2

2. 音 響 の 基 礎 音 圧 レベル(SPL):うるさいか うるさく 無 いかを 判 断 する 指 標 (60dB 程 が 人 との 会 話 で 100dBが 車 道 ) SPL 10 P rms ( db) 20log P は 圧 力 変 動 の 二 乗 平 均 平 方 根 P rms ref P 5 ref 2.0 10 Pa は 基 準 値 ( 世 界 共 通 ) ファン ダクト サイドミラーやジェット 音 等 が 代 表 的 な 騒 音 問 題 となります 人 間 の 聴 覚 に 合 う 騒 音 として 音 響 学 的 に A 特 性 と 言 う 単 語 があります 騒 音 計 による 測 定 に 使 用 され 人 間 の 聴 覚 を 考 慮 した 周 波 数 重 み 付 け 特 性 です JISで 普 通 騒 音 形 に 定 められている STAR-CCM+で 音 圧 を 表 示 する 際 に 選 択 可 能 3

2. 音 源 の 種 類 一 般 的 な 音 源 のタイプ 単 極 音 源 流 体 の 湧 き 出 し 吸 い 込 みが 半 周 期 ごとに 行 われる 事 で 音 波 が 球 面 状 に 放 出 される 音 源 点 音 源 とも 呼 ばれています 代 表 的 なものとして 排 気 管 の 騒 音 が 挙 げられます 二 重 極 音 源 (Curleモデル) 音 響 出 力 が 等 しく 位 相 が 反 転 している2つの 点 音 源 が 隣 接 している 音 源 お 互 いの 音 源 が 干 渉 する 事 により 8の 字 型 の 音 圧 分 布 となります 代 表 的 なものとして 翼 などの 渦 放 出 が 挙 げられます 四 重 極 音 源 (Proudmanモデル) 流 体 運 動 の 乱 れそのものから 発 生 する 騒 音 二 重 極 音 源 が 直 交 して 隣 接 した 状 態 であるため 音 圧 分 布 は4 方 向 に 分 かれたクローバー 型 となります 代 表 的 なものとして ジェット 流 の 乱 れが 挙 げられます 4 M<0.3の 場 合 は 四 重 極 子 影 響 が 低 く 二 重 極 子 が 支 配 的

3. 解 析 の 一 般 的 な 流 れ 1. 形 状 作 成 もしくは 読 み 込 み 修 正 2. メッシュ 生 成 3. 定 常 計 算 ( 騒 音 源 の 特 徴 :db) 4. メッシュの 妥 当 性 を 確 認 (メッシュ 再 作 成 ) 5. 非 定 常 計 算 ( 周 波 数 特 徴 :SPL) 5

4. STAR-CCM+の 特 徴 定 常 計 算 で 定 量 的 な 比 較 が 可 能 ( 広 帯 域 ) 解 析 物 体 表 面 (Curle:2 重 極 子 音 源 )と 空 間 内 (Proudman:4 重 極 子 音 源 ) の 音 圧 値 を 可 視 化 して 複 数 の 形 状 の 中 から 最 適 なモデルが 選 択 出 来 ます 解 析 可 能 な 周 波 数 範 囲 や 非 定 常 解 析 に 対 してのメッシュ 妥 当 性 も 検 証 非 定 常 計 算 で 周 波 数 特 性 の 音 響 結 果 を 出 力 フーリエ 変 換 で 観 測 点 での 圧 力 値 から 周 波 数 SPL 変 動 グラフを 作 成 直 接 解 法 ( 解 析 領 域 内 )とFfowcs Williams Hawkings (FWH) 伝 播 ( 解 析 領 域 外 の 遠 方 場 )を 併 用 した 音 圧 音 放 射 コンターの 作 成 6

5. キャビティ 定 常 計 算 :Curleモデル(2 重 極 子 = 表 面 音 源 ) RANSモデルからの 乱 流 時 間 長 さスケールと 解 析 物 体 壁 面 のせん 断 応 力 を 利 用 して 音 源 表 面 圧 力 の 時 刻 歴 2 乗 平 均 微 分 係 数 を 算 出 して 音 圧 を 表 示 ( 固 体 表 面 ) 単 位 面 積 あたりの 音 響 出 力 は dbとw/m 2 の 次 元 で 表 されます STAR-CCM+のデフォルトは 基 準 音 響 パワー:1e-12 W/m 2 密 度 ( 遠 距 離 場 ):1.225 kg/m 3 音 速 ( 遠 距 離 場 ):340.0 m/s 7

5.キャビティ 定 常 計 算 :Proudmanモデル(4 重 極 子 = 空 間 音 源 ) 局 所 的 な 音 圧 を 体 積 単 位 での 等 方 性 乱 流 (RANSモデルからの 乱 流 速 度 と 長 さ)を 利 用 して 算 出 等 方 性 乱 流 の 単 位 体 積 あたりの 局 所 Proudman 音 響 出 力 ( 単 位 :[W/m 3 ]) ρ 0 は 非 近 接 場 の 密 度 Uは 乱 流 速 度 Lは 乱 流 長 さスケール Tは 乱 流 時 間 スケール a 0 は 非 近 接 場 の 音 速 AP U U c 3 5 0 5 L a0 ここで U L c 0.629 T 8

5.キャビティ 定 常 計 算 : 形 状 と 解 析 条 件 3つのキャビティ 形 状 を 作 成 : 奥 行 き 寸 法 は 全 ケース0.025m Realizable K-E 乱 流 モデル 分 離 型 流 れで3000イタレーションを 実 施 境 界 条 件 として 自 由 流 れ(M=0.3)を 流 入 出 と 天 井 に 設 定 ケース1:200 万 トリム 0.04m ケース2:300 万 トリム 0.08m 0.02m 0.02m ケース3:400 万 トリム 0.08m 0.04m 9

5.キャビティ 定 常 計 算 : 表 面 のCurle 音 圧 コンター キャビティ 形 状 の 違 いが 表 面 音 圧 値 で 観 測 可 能 :2 重 極 子 の 影 響 ケース2ではキャビティ 前 方 部 分 の 音 圧 値 が 極 端 に 低 くなる 傾 向 が 見 える 全 体 的 にはケース1の 形 状 が 高 い 音 圧 値 を 保 持 している 流 れ 方 向 流 れ 方 向 ケース1 ケース2 流 れ 方 向 ケース3 10

5.キャビティ 定 常 計 算 : 奥 行 き 中 心 断 面 のProudman 音 圧 コンター 空 間 内 での 音 圧 値 が 観 測 可 能 :4 重 極 子 の 影 響 ケース2ではキャビティ 後 方 部 分 の 音 圧 値 が 高 くなる 傾 向 が 見 える(キャビティからの 渦 の 衝 突 ) ケース3ではキャビティの 深 さが 長 さ 方 向 の 影 響 を 緩 和 している 傾 向 が 見 える 流 れ 方 向 流 れ 方 向 ケース1 ケース2 流 れ 方 向 ケース3 11

5.キャビティ 定 常 計 算 :メッシュの 妥 当 性 (Mesh Frequency Cutoff) どの 周 波 数 までの 音 源 を 高 精 度 で 非 定 常 解 析 を 行 えるかの 指 標 今 回 はキャビティ 内 の 音 源 に 対 して8KHzまで 精 度 は 保 てる 様 に 作 成 (レジェンドを 調 整 ) 流 れ 方 向 Mesh Frequency Cutoffコンター 12

5.キャビティ 定 常 計 算 :メッシュの 妥 当 性 ( 乱 流 スケールとWall Y+) キャビティ 周 辺 のセルサイズの 妥 当 性 を 乱 流 スケールを 利 用 したフィールド 関 数 で 可 視 化 一 つのセルに 対 して 最 低 でも 二 つの 渦 がキャビティ 内 では 捉 えられるメッシュになっています キャビティ 表 面 に 対 してWall Y+を 可 視 化 Wall Y+が1に 近 いので DESやLES 計 算 にも 対 応 可 能 なメッシュとなります 流 れ 方 向 流 れ 方 向 乱 流 スケールコンター Wall Y+ コンター l = C 3/ 4 ε k 3/2 l 以 下 のユーザーフィールド 関 数 で 判 別 2 1/3 V pow(0.09,0.75)*(pow($turbulentkineticenergy,1.5)/ $TurbulentDissipationRate)/pow($Volume,(1/3)) 13

6.キャビティ 非 定 常 計 算 : 直 接 伝 播 と 適 した 乱 流 モデル 直 接 伝 播 では 解 析 領 域 内 すべてに 対 して 圧 縮 性 ナビエストークス 方 程 式 を 解 き 得 られた 圧 力 をフーリエ 変 換 して 音 圧 値 やコンター 図 等 を 可 視 化 します( 音 の 反 射 や 回 折 影 響 等 を 含 んだ 解 析 結 果 ) LES 高 精 度 ですが メッシュの 解 像 度 が 最 も 求 められます( 計 算 負 担 が 高 い) DES(キャビティ 事 例 に 使 用 ) LESとRANSの 組 み 合 わせ( 境 界 近 辺 はRANS その 他 の 領 域 はLES) RANS メッシュの 解 像 度 がLESの 様 に 細 かくなくても 良 いが 精 度 がかなり 落 ちる 14

6.キャビティ 非 定 常 計 算 :FWH 伝 播 モデル FWHは 流 れ 近 傍 場 ( 解 析 物 体 表 面 の 圧 力 2 重 極 子 影 響 と 乱 流 エネルギー が 拡 散 する 際 に 生 じる4 重 極 子 影 響 )からの 音 放 射 を 中 間 遠 方 場 で 捉 え る 為 の 手 法 です 騒 音 はサーフェスから 伝 播 します 不 透 過 性 サーフェス - 通 常 は 壁 面 を 使 用 透 過 性 サーフェス - 通 常 はインターフェースを 使 用 騒 音 がレシーバーに 伝 播 します データを 収 集 するマイクロフォンの 位 置 で 定 義 します 基 本 的 には 解 析 領 域 外 15

6.キャビティ 非 定 常 計 算 : 観 測 点 の 配 置 キャビティ 中 心 点 ( 奥 行 き=0.0125m)から 上 空 に0.015mと0.45mの 点 は 直 接 伝 播 解 析 領 域 外 の1mの 点 ではFWH 伝 播 を 使 用 全 てのSPLはA 特 性 の 音 圧 を 表 示 しています Point 3:1m Point 2:0.45m 観 測 点 の 位 置 Point 1:0.015m 16

6.キャビティ 非 定 常 計 算 : 直 接 解 法 のSPL(POINT 1& 2) ピーク 周 波 数 はそれぞれケース1,2,3で2670Hz, 1360Hz, 1420Hzで 発 生 音 圧 値 もPoint1では 最 大 130dBですが Point2では120dB 程 に 減 衰 : 距 離 減 衰 の 理 論 式 =20log(r2/r1)=20log(0.45m/0.15m)=9.5dB 赤 線 :ケース1 青 線 :ケース2 緑 線 :ケース3 17 Point 1のSPL Point 2のSPL

6.キャビティ 非 定 常 計 算 :FWH 伝 播 のSPL(POINT 3) FWH 伝 播 でのピーク 周 波 数 は 直 接 伝 播 と 若 干 のズレがあります( 反 射 影 響 が 無 い) 1mの 遠 方 場 では80dB 以 下 の 音 圧 が 観 測 されます ケース3の 音 伝 播 が 全 体 的 に 強 く 観 測 出 来 ます 赤 線 :ケース1 青 線 :ケース2 緑 線 :ケース3 Point 3のSPL: 全 体 と 拡 大 図 18

6.キャビティ 非 定 常 計 算 : 理 論 式 との 比 較 Rossiter Mode Formulaに 基 づくとケース1は2750Hz ケース2と3は1375Hz 付 近 でピークが 発 生 するので 計 算 結 果 とそれほど 大 差 は 無 い 全 ケースでキャビティ 前 方 付 近 の 主 流 速 は 約 110m/s U 110m / s ケース1のF( Hz) 2750Hz l 0.04m U 110m / s ケース2と 3のF ( Hz) 1375Hz l 0.08m 流 れ 速 度 :U 音 波 フィードバック D 19 L

6.キャビティ 非 定 常 計 算 : 直 接 解 法 のdBコンター(1420Hz) ケース2のキャビティ 内 で 集 中 的 な 騒 音 レベルが 発 生 している ケース2と3のピーク 周 波 数 に 近 い 為 ケース1に 比 べて 遠 方 への 音 伝 播 が 強 く 観 測 される ( 特 に 前 方 方 向 への 音 放 射 ) ケース1の 音 圧 ケース2の 音 圧 ケース3の 音 圧 20

6.キャビティ 非 定 常 計 算 : 直 接 解 法 のdBコンター(2670Hz) ケース1ではキャビティ 後 方 への 音 伝 播 が 強 く 観 測 出 来 る 1420Hz 同 様 に 高 騒 音 領 域 がケース2のキャビティ 内 で 発 生 ( 形 状 がより 強 い 渦 の 乱 れを 発 生 ) ケース1の 音 圧 ケース2の 音 圧 ケース3の 音 圧 21

6.キャビティ 非 定 常 計 算 : 直 接 解 法 の 音 放 射 コンター 瞬 間 的 な 音 放 射 コンターも 可 視 化 可 能 ( 赤 が+ 音 波 で 青 が- 音 波 ) ケース2と3の 形 状 の 方 がフィードバック 音 による 影 響 が 強 く 観 測 される 0.25 秒 での 音 放 射 :ケース1, 2, 3 22 0.5 秒 での 音 放 射 :ケース1, 2, 3

7. 騒 音 解 析 の 注 意 点 捕 えたい 周 波 数 により メッシュサイズが 変 わります: メッシュサイズ=Δ < λ/20 λ=a/f (λ = 波 長 a = 音 速 F = 求 めたい 最 大 周 波 数 ) 2000Hzまでの 周 波 数 を 捕 えたい 場 合 音 速 を340 m/sとすると 波 長 は340/2000=0.17 m となり メッシュサイズは=0.17/20=0.0085mとする 必 要 がある タイムステップの 決 め 方 Δt< 1/(15 x f) f = 周 波 数 2000Hzまで 捉 えたい 時 は 1/(15 x 2000) = 3.33 e-5 s 以 下 のΔtを 推 奨 回 転 体 の 時 は1 度 回 転 する 時 にかかる 時 間 をタイムステップとします 一 般 的 に 使 用 する 物 理 モデル DES/LES 乱 流 モデル( 陰 解 法 非 定 常 解 析 :2 次 精 度 の 離 散 化 ) 理 想 気 体 と 分 離 型 流 れ( 圧 縮 性 が 高 いケースやマッハ 数 が0.3 以 上 の 場 合 は 連 成 型 も 考 慮 ) 無 反 射 境 界 ( 自 由 流 れ) 内 部 イタレーションは 最 低 5 回 23

8. 事 例 紹 介 :ダクトやランディングギアからの 放 射 音 ダクトは 出 口 正 面 や 側 面 付 近 の 観 測 点 でのSPL 比 較 を 実 行 (AIAA2012-2068) ¼ランディングギアモデル 周 辺 の 音 放 射 (AIAA 2012-2236) 24

8. 事 例 紹 介 : 外 部 流 体 騒 音 から 内 部 領 域 への 音 透 過 車 のサイドミラー 周 辺 の 音 圧 コンターを 可 視 化 (AIAA201202205, 2206 & SAE2013-01- 0640) 低 周 波 数 領 域 の 方 が 車 のサイドウィンドウにかかる 音 圧 が 高 い 500Hzの dbコンター 1000Hzの dbコンター 25

8. 事 例 紹 介 : 複 合 パイプ 内 の 共 鳴 や 水 中 音 響 パイプ 内 で 発 生 する 音 響 モード( 共 鳴 効 果 )を 可 視 化 (AIAA2012-2171) 圧 縮 性 液 体 の 中 での 音 伝 播 や 混 相 流 現 象 ( 気 泡 の 発 生 消 滅 )の 騒 音 解 析 26

9. まとめ 今 後 の 展 開 非 常 に 効 率 的 な 流 体 騒 音 予 測 特 に 定 常 計 算 で 騒 音 源 の 比 較 が 可 能 ( 複 数 のモデルから 最 適 な 形 状 を 選 択 ) 直 接 法 とFWHの 併 用 解 析 ( 近 傍 遠 方 場 の 音 圧 解 析 が 可 能 ) 今 後 の 展 開 : 流 体 振 動 騒 音 解 析 機 能 の 開 発 航 空 機 キャビン 内 の 騒 音 サイドミラーから 車 内 への 音 透 過 吸 音 効 果 の 解 析 27

お 問 い 合 わせ 先 株 式 会 社 CD-adapco 横 浜 オフィス Tel: 045-475-3285 Fax: 045-475-3295 横 浜 市 港 北 区 新 横 浜 2-3-12 新 横 浜 スクエアビル 16F 大 阪 オフィス Tel: 06-4807-7840 Fax: 06-4807-7845 大 阪 市 淀 川 区 宮 原 1-6-1 新 大 阪 ブリックビル 9F E-mail Info-jp@cd-adapco.com 28

Your CAE Partner for Success www.cd-adapco.com/ja