Avaliação de erros no cálculo direto de ruído em OpenFOAM utilizando caso clássico em aeroacústica

Abstract

A utilização de simulações numéricas em aeroacústica são, em muitas aplicações, mais acessíveis do que métodos experimentais. No entanto, dificuldades surgem no cálculo direto de ruído devido a erros introduzidos por condições de contorno e por esquemas numéricos tipicamente utilizados em mecânica dos fluidos computacional. A diferença de ordens de grandeza definidas pelo escoamento e pelo campo sonoro torna uma simulação direta mais onerosa, porém, mesmo quando métodos híbridos são utilizados, é necessário seguir critérios para se obter um cálculo acurado da propagação sonora até a superfície de controle utilizada por analogias acústicas. Este trabalho buscou avaliar a influência de diferentes esquemas numéricos — disponíveis no código aberto OpenFOAM — no cálculo direto da propagação de onda. Para tanto, adotou-se o caso do campo sonoro gerado por um monopolo em um domínio bidimensional. Um modelo de simulação foi desenvolvido e avaliou-se diferentes esquemas de discretização espacial e temporal, juntamente com testes de refino de malha e condições de contorno. Por fim, comparou-se os resultados com a solução analítica disponível e foram estabelecidas boas práticas para esse tipo de simulação. Concluiu-se que o modelo desenvolvido permitiu análise da propagação de onda para o meio estacionário, em que a influência do esquema temporal e o refino de malha nos resultados puderam ser verificados. Além disso, conseguiu-se evitar reflexões numéricas nas condições de contorno por adição de zonas externas que extinguiram a onda ao longo do domínio.

The use of numerical simulations in aeroacoustics is, in many applications, more accessible than experimental methods. However, difficulties arise in the direct computation of noise due to errors introduced by boundary conditions and numerical schemes typically used in Computational Fluid Dynamics. The difference in scale between the flow and the sound field makes a direct simulation more expensive, however, even when hybrid methods are used, it is necessary to follow criteria to obtain an accurate calculation of the sound propagation up to the control surface used by acoustic analogies. This work sought to evaluate the influence of different numerical schemes — available in the open source OpenFOAM — on the direct calculation of wave propagation. In this sense, the case of the sound field generated by a monopole in a two-dimensional domain was adopted. A simulation model was developed and different spatial and temporal discretization schemes were evaluated, along with mesh refinement and boundary conditions tests. Finally, the results were compared with the available analytical solution and good practices for this type of simulation were established. As a conclusion, the developed model allowed the analysis of the wave propagation for the stationary medium, in which the influence of temporal discretization and mesh refinement in the results could be verified. Furthermore, it was possible to avoid numerical reflections in the boundary conditions by adding external zones that extinguished the wave along the domain.