氣動聲學
背景流與聲場之間的相互作用
在與氣動聲學相關的物理效應中，湍流發聲是最常見的一種現象。英文單詞 aeroacoustics 的前綴 aero 表示“空氣”，然而，氣動聲學 領域并不局限于空氣中的流致噪聲，其研究對象是背景流與聲場之間的相互作用。舉例來說，如果您要研究剪切層的聲音反射性能，或者流體在消聲器中對傳輸損耗的影響機制，那么就需要研究氣動聲學。
氣動聲學模型可以包含當存在流動時會改變聲場的各種效應，比如湍流、材料屬性的局部變化、對流、黏滯阻尼，等等。氣動聲學問題的數值求解屬于計算氣動聲學（CAA）領域。
流致噪聲
流動引起的噪聲可以通過不同的機械作用產生，但最終原因都是流體波動，這些波動會在整個流動區域產生分布式聲源。以下形式的波動都會產生噪聲：流體中的局部應力波動（雷諾應力、黏性應力效應、非等熵效應都可以作為四極子聲源）、壁面壓力波動（如固體邊界上的偶極子聲源）、質量和熱量波動（比如分布式單極子聲源）以及外部波動力場。
聲波只是流體產生的多種波中的一種；除此之外，流體還會產生旋渦以及熱不穩定的波。這些波僅以對流方式進行傳播，而聲波還能夠相對于流體以不同的速度（局部聲速）進行傳播。與其他波動形式相比，聲波所攜帶的能量通常要小好幾個數量級。這意味著，要直接對流致噪聲進行仿真是一件極具挑戰性的工作，需要采用非常精確的數值方法。另一個難點在于，聲源產生在湍流的長度尺度上，而如何確定這一長度尺度也是一個問題。
聲類比
聲類比方程 是將聲學波動從流體波動中分離出來的公式。
這類方程的第一種形式來源于 J. Lighthill 在二十世紀五十年代的開創性工作。他的聲類比方程是通過對納維-斯托克斯方程進行重新排列導出的，從而得到了聲壓的對流標量波動方程，方程右端包含所有流源項。
我們也可以用其他方式對流動方程進行重排，得到線性歐拉方程或線性納維-斯托克斯方程，并且右端包含流源項，從而構建類比方程。在流致噪聲無關緊要的許多氣動聲學應用中，線性模型具有很好的適用性。這一點尤其表現在頻域中的流-固耦合（FSI）問題上，例如，在模擬背景流對聲學特性（如反射和折射）的影響，以及建立消聲器的細節模型時均如此。
氣動聲學的線性模型
理想情況下，氣動聲學仿真需要求解時域中完全可壓縮的納維-斯托克斯方程。如此一來，聲壓波可以形成流體解的一個子集。但是，由于需要大量的計算時間和內存資源，這種方法通常不切實際。
因此，我們可以像求解許多實際工程問題一樣，改用一種解耦的兩步多物理場方法：
- 對流體流動進行求解
- 對流動產生的聲波擾動進行求解
現存可用的多種模型包含不同的細節級別和不同的氣動聲學作用。這些模型是通過對穩態背景流周圍的因變量進行線性化，并基于多種物理假設推導而來的。這時的因變量可以表示流動產生的擾動，比如聲波和不穩定波。經典標量波動方程（也稱為頻域中的亥姆霍茲方程）便是無顯式損耗、并采用等熵假設的一個線性模型示例。
線性模型類型
標量波動方程
標量波動方程的一般形式包含聲速和密度與背景流的依賴關系（因為它們都可以在空間上發生改變）。當對流效應不明顯（即馬赫數小于 0.1）并且熱和黏滯損耗也忽略不計的情況下，這是一種很好的近似。
熱聲學
線性熱聲學 模型體現了材料參數與背景流、熱損耗及黏滯損耗的依賴關系，這些模型支持模擬馬赫數小于 0.1 的各種情況。頻域中的流固耦合建模便是其中一個應用示例。
線性勢流
線性勢流 模型描述背景勢流與聲場的相互作用，除了壁面可能存在的阻抗條件外，模型中不包含其他任何損耗。例如，線性勢流可用于為噴氣發動機的聲音傳播進行建模。
線性歐拉
當存在穩態背景平均流（可以很好地近似為理想氣體）的情況下，線性歐拉 模型可以用來計算密度、速度和壓力引起的聲學變化，它的一般形式支持求解聲波和非聲學波動。后者就是我們常說的“不穩定波”（旋渦和熵波）。
線性納維-斯托克斯
存在穩態等溫或非等溫背景平均流時，線性納維-斯托克斯方程可以用來計算壓力、速度和溫度引起的聲學變化，方程中包含黏滯損耗、熱傳導以及黏性耗散所產生的熱（如果相關）。
聲學擾動方程
在氣動聲學問題的建模過程中，我們還可以使用基于上面提到的線性模型變化而來的模型和修正模型。一個典型的例子就是聲學擾動方程，其中我們通過修改控制方程濾除非聲學傳播模式，將問題變為了純聲學問題。
發布日期：2015 年 9 月 28 日上次修改日期：2017 年 2 月 21 日