Simulazioni Aero Acustiche: Propagazione del Suono da una Sorgente Sonora Aerodinamica

L’acustica classica studia il suono generato in un mezzo tramite l’applicazione di forze esterne, l’aeroacustica invece è una branca dell’acustica che si concentra sull’analisi del suono generato dalle forze aerodinamiche e dal campo di moto originati da un corpo immerso in un flusso turbolento.

I primi studi teorici (le cosiddette analogie acustiche) risalgono agli anni cinquanta [On Sound Generated Aerodynamically. I. General Theory. Lighthill, M. J. Manchester: Proceedings of the Royal Society of London, 1952, Vols. Series A, Mathematical and Physical Sciences]. Tuttavia solo grazie all’avvento del computer è stato possibile implementare tali lavori per sviluppare la cosiddetta Aeroacustica Computazionale (CAA) che permette di risolvere numericamente il problema aeroacustico. Soprattutto nel settore dei trasporti, l’interesse nei confronti dell’aeroacustica computazionale è cresciuto con vigore negli ultimi anni data l’esigenza di ottimizzare il consumo di carburante e il comfort acustico nei mezzi di trasporto.

Gli approcci numerici principali sono rappresentati dal metodo diretto e dal metodo ibrido.
Nel metodo diretto le equazioni di Navier-Stokes per fluidi comprimibili vengono risolte per tutte le scale di moto. La soluzione ottenuta è estremamente accurata ma spesso il metodo è infattibile a livello industriale per le ingenti risorse di calcolo necessarie.
Il metodo ibrido, che è stato applicato in questo lavoro, disaccoppia la risoluzione del campo fluidodinamico da quella del campo acustico, applicando le analogie acustiche per individuare le sorgenti sonore nel campo di moto. Tale approccio permette maggiore flessibilità e minori tempi di calcolo rispetto al metodo diretto, senza però perdere eccessivamente in accuratezza.

In questa tesi è stato analizzato un caso studio geometricamente semplice come il forward-facing step bidimensionale. Il campo fluidodinamico è stato calcolato per diverse velocità del flusso grazie a Large Eddy Simulations incomprimibili attraverso il software OpenFOAM. In particolare sono stati usati il solutore incomprimibile pisoFoam e il modello di sottogriglia di Smagorinsky.

Bolla di ricircolo e bolla di separazione presso scalino

La simulazione acustica è stata eseguita grazie al software Actran in cui i risultati CFD sono stati interpolati su una mesh acustica. L’identificazione delle sorgenti sonore è stata effettuata tramite il modulo iCFD che implementa le analogie acustiche di Lighthill e Möhring e che ha permesso di confrontare il campo di pressione dalla CFD con lo spostamento nel tempo delle sorgenti equivalenti identificate. Dopodiché attraverso la Direct Frequency Response è stato possibile propagare il segnale fino ad un set di microfoni virtuali posti nel far field e di identificarne il segnale in frequenza. 

Sorgente da CFD proiettata su mesh acustica e microfoni virtuali

Autore: Paolo Pivetta