KR102205375B1

KR102205375B1 - 유동에 의한 소음원 확인

Info

Publication number: KR102205375B1
Application number: KR1020157027582A
Authority: KR
Inventors: 프랭크 레온 페로; 애드리언 만; 데이비드 엠. 프리드
Original assignee: 다솔 시스템즈 시뮬리아 코포레이션
Priority date: 2013-03-06
Filing date: 2014-02-27
Publication date: 2021-01-20
Also published as: US10515159B2; JP2016517067A; EP2965245A4; EP2965245B1; JP6381556B2; KR20150129771A; WO2014137750A1; EP3508995A1; CA2900642A1; EP2965245A1; US20140257772A1

Abstract

소음을 발생시키는 유동 구조체들의 위치를 파악하고 특징을 밝혀내며 또한 이들에 상응하는 음향 방사 특성을 정량화하기 위하여 유동 구조체의 시간 변화 및 공간 변화를 자동으로 검출하고 추적하기 위한 시스템과 방법이다. 소음을 발생시키는 유동 구조체들의 위치를 파악하고 특징을 밝혀내며 또한 이들에 상응하는 음향 방사 특성을 정량화하기 위하여 유동 구조체의 시간 변화 및 공간 변화를 자동으로 검출하고 추적하기 위한 시스템과 방법을 설명한다.

Description

유동에 의한 소음원 확인{FLOW-INDUCED NOISE SOURCE IDENTIFICATION}

본 출원은 명칭이 "유동에 의한 소음원 확인"이고, 출원일이 2013년 3월 6일인 미국 특허 가출원 번호 제61/773,360호와 출원일이 2013년 11월 1일인 미국 특허 출원 번호 제14/069,691호에 대한 35 USC §119(e)에 따른 우선권을 주장하며, 그 전체 내용을 원용에 의해 본 명세서 내에 포함한다.

본 명세서에서는 소음을 발생시키는 유동 구조체들의 위치를 파악하고 특징을 밝혀내며 또한 이들에 상응하는 음향 방사 특성을 정량화하기 위하여 유동 구조체의 시간 변화 및 공간 변화를 자동으로 검출하고 추적하기 위한 시스템과 방법을 설명한다.

우리 사회에서, 음향 쾌적성이 점점 더 중요해지고 있으며, 소음 감소 방안을 발견하고 개발하는데 상당한 연구 시간(engineering time)이 소요되고 있다. 불쾌감(annoyance)의 주된 근원은 제트, 기체(airframe), 기차, 회전 지오메트리(rotating geometries) 및 덕트 시스템 소음과 같은 유동에 기인하는 소음 메커니즘들과 관련이 있다. 소음 발생을 줄이기 위해 작업하고 최적화해야 하는 시스템의 부분을 확인하는 데에 흔히 전문가 지식(expertise), 직관 및 시행착오법이 사용된다. 어떤 추가적인 예들에서는, 빔형성법(beam-forming method), 음향 홀로그래피법 및 이점 연관법(two points correlation method)과 같은 몇몇 실험법들이 생산적으로 사용되지만, 이러한 실험법들은 많은 시간과 비용을 소모하는 실물 프로토타이핑과 풍동 실험을 요구한다. 다른 예로서, 전산 공력음향 시뮬레이션이 유동 토폴로지(flow topology)를 유익하게 이해할 수 있는 유동장 정보를 제공한다.

원거리장에 소음을 방사할 가능성이 있는 와류들 및 와류 시스템들을 추적하기 위한 방법 및 시스템을 본 명세서에서 설명한다. 본 명세서에서 설명하는 방법들은 또한 난류 유동 응집 구조체들의 일시적 및 통계적 특성들을 포착하는 데도 사용될 수 있다.

일반적으로, 본 명세서에서 설명하는 본 발명의 요지의 일 태양은 소정 체적 내에서의 요소들의 이동을 모델링하도록 상기 소정 체적 내의 유체의 유동을 시뮬레이션하는 동작을 포함하는 방법들로 구현될 수 있다. 본 발명의 방법은 또한 유체 유동 시뮬레이션의 제1 시점에서, 유체 유동에 의해 모델링된 천이 및 난류 유동 내의 제1 세트의 와류들을 확인하는 동작을 포함한다. 본 발명의 방법은 또한 상기 제1 시점에 이어지는 유체 유동 시뮬레이션의 제2 시점에서, 상기 천이 및 난류 유동 내의 제2 세트의 와류들을 확인하는 동작을 포함한다. 본 발명의 방법은 또한 제1 세트의 이산 와류들과 제2 세트의 이산 와류들을 비교하는 것에 의해 와류들의 변화를 추적하는 동작 및 상기 추적에 기초하여 한 개 이상의 잠재적인 사운드(potential sound) 발생 와류 구조체를 확인하는 동작을 포함한다. 상기 태양의 다른 실시예들은 상기 방법의 동작들을 수행하도록 각각 구성된 상기 방법에 상응하는 컴퓨터 시스템들, 장치들 및 한 개 이상의 컴퓨터 저장 장치에 기록된 컴퓨터 프로그램들을 포함한다. 한 개 이상의 컴퓨터로 된 시스템은, 시스템에 설치되어 작동 시 시스템이 상기 동작들을 수행하게 하는 소프트웨어, 펌웨어, 하드웨어 또는 이들의 조합을 가지는 것에 의해서 특정 작업 또는 동작을 수행하도록 구성될 수 있다. 한 개 이상의 컴퓨터 프로그램은, 데이터 처리 장치에 의해 실행될 때 데이터 처리 장치가 상기 동작들을 수행하게 하는 명령들을 포함하는 것에 의해서 특정 작업 또는 동작을 수행하도록 구성될 수 있다.

일반적으로, 본 명세서에서 설명하는 본 발명의 요지의 일 태양은 소정 체적 내에서의 요소들의 이동을 모델링하도록 상기 소정 체적 내의 유체의 유동을 시뮬레이션하여 유동 데이터를 생성하는 동작을 포함하는 방법들로 구현될 수 있다. 본 발명의 방법은 또한 유체 유동 시뮬레이션의 제1 시점과 유체 유동 시뮬레이션의 제2 시점 사이의 와류들의 변화들에 기초하여 한 개 이상의 잠재적인 사운드 발생 와류 구조체를 확인하는 동작과 상기 확인된 한 개 이상의 잠재적인 사운드 발생 와류 구조체와 생성된 상기 유동 데이터에 적어도 부분적으로 기초하여, 사운드 발생 와류 구조체들을 발생시키는 한 개 이상의 표면 구역을 확인하는 동작을 포함할 수 있다.

상술한 실시예들 및 다른 실시예들은 각각 선택적으로 다음과 같은 특징들 중 한 개 이상을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다.

와류들의 변화를 추적하는 동작이, 제1 시점과 제2 시점 사이의 제1 세트의 와류들 및 제2 세트의 와류들 내의 각각의 와류의 변위를 확인하는 추적 알고리즘을 실행하는 동작을 포함할 수 있다.

제1 세트의 와류들 및 제2 세트의 와류들을 확인하는 동작들이, 순간 압력, 와도, Q-기준 및 λ₂기준 중 하나 이상에 기초하여 제1 세트의 와류들 및 제2 세트의 와류들을 확인하는 동작들을 포함할 수 있다.

상기 한 개 이상의 잠재적인 사운드 발생 와류 구조체를 확인하는 동작들이, 제1 시점과 제2 시점 사이의 제1 세트의 와류들 및 제2 세트의 와류들 내의 와류들의 위치와 변위에 기초하여 동방향 회전 와류쌍들을 확인하는 동작을 포함할 수 있다.

본 발명의 방법은 또한, 확인된 각각의 동방향 회전 와류쌍에 대해, 등가의 사중격자형 소음원을 결정하고, 상응하는 음향 방사를 결정하고, 그리고 사중격자에 기반한 원거리장 소음을 추정하는 동작을 포함할 수 있다.

상기 한 개 이상의 잠재적인 사운드 발생 와류 구조체를 확인하는 동작이, 제1 시점과 제2 시점 사이에 팽창(stretching)되고 있는 와류들을 확인하는 동작을 포함할 수 있다.

상기 체적 내의 유체의 유동을 시뮬레이션하는 동작이, 소정의 모델에 따라 모멘텀 상태가 서로 다른 요소들 간의 상호작용들을 모델링하는 상호작용 작업을 상태 벡터들에 대해 수행하는 동작, 및 상기 모델에 따른 요소들의 상기 체적 내의 새 복셀들로의 이동을 반영하도록 상태 벡터들의 세트의 제1 이동 작업들을 수행하는 동작을 포함할 수 있다.

제1 세트의 와류들을 확인하는 동작이 제1 세트의 와류 센터라인들을 확인하는 동작을 포함할 수 있으며 각각의 센터라인은 제1 세트의 와류들 내의 그와 연관된 와류에 상응하고, 제2 세트의 와류들을 확인하는 동작이 제2 세트의 와류 센터라인들을 확인하는 동작을 포함할 수 있으며 각각의 센터라인은 제2 세트의 와류들 내의 그와 연관된 와류에 상응한다.

제1 세트의 와류 센터라인들을 확인하는 동작이, 제1 세트의 와류들 내의 와류들과 연관되고 임계치보다 낮은 λ₂값들을 갖는 다수의 독립 등밀도면들(self-contained isosurfaces)을 확인하는 동작, 및 상기 독립 등밀도면들로부터 센터라인을 결정하기 위해 삼각 측량 계산을 수행하는 동작을 포함하고, 제2 세트의 와류 센터라인들을 확인하는 동작이, 제2 세트의 와류들 내의 와류들과 연관되고 임계치보다 낮은 λ₂값들을 갖는 다수의 독립 등밀도면들(self-contained isosurfaces)을 확인하는 동작, 및 상기 독립 등밀도면들로부터 센터라인을 결정하기 위해 삼각 측량 계산을 수행하는 동작을 포함할 수 있다.

와류들의 변화를 추적하는 동작이 와류들의 위치와 이동을 추적하는 동작을 포함할 수 있다.

본 발명의 방법은 또한 상기 확인된 한 개 이상의 잠재적인 사운드 발생 와류 구조체에 의해 발생되는 사운드를 예측하는 동작을 포함할 수 있다.

상기 확인된 한 개 이상의 잠재적인 사운드 발생 와류 구조체에 의해 발생되는 사운드를 예측하는 동작이, 사운드의 주파수, 진폭(amplitude), 세기(intensity), 파워(power) 및 위치를 예측하는 동작을 포함할 수 있다.

상기 확인된 한 개 이상의 잠재적인 사운드 발생 와류 구조체에 의해 발생되는 사운드를 예측하는 동작이, 사운드의 방향성을 예측하는 동작을 포함할 수 있다.

본 발명의 방법은 또한 상기 예측된 사운드를 주파수에 기초하여 필터링하는 동작을 포함할 수 있다.

본 발명의 방법은 또한 상기 예측된 사운드를 방향성에 기초하여 필터링하는 동작을 포함할 수 있다.

본 발명의 방법은 또한 상기 확인된 소음 발생 와류 구조체들로부터 예측된 사운드의 밀도 맵을 생성하는 동작을 포함할 수 있다.

본 발명의 방법은 또한 상기 확인된 소음 발생 와류 구조체들로부터 예측된 사운드의 방사 음향 파워 맵을 생성하는 동작을 포함할 수 있다.

본 발명의 방법은 또한 상기 확인된 한 개 이상의 잠재적인 사운드 발생 와류 구조체와 상기 체적 내의 유체의 유동에 적어도 부분적으로 기초하여, 사운드 발생 와류 구조체들을 발생시키는 한 개 이상의 표면 구역을 확인하는 동작을 포함할 수 있다.

본 발명의 방법은 또한 상기 확인된 한 개 이상의 구역에 기초하여 지오메트리(geometry) 최적화 처리를 수행하여 변형된 표면 지오메트리를 생성하는 동작을 포함할 수 있다.

상기 한 개 이상의 잠재적인 사운드 발생 와류 구조체를 확인하는 동작이, 유체 유동 시뮬레이션의 제1 시점에서, 유체 유동에 의해 모델링된 천이 및 난류 유동 내의 제1 세트의 와류들을 확인하는 동작, 상기 제1 시점에 이어지는 유체 유동 시뮬레이션의 제2 시점에서, 상기 천이 및 난류 유동 내의 제2 세트의 와류들을 확인하는 동작, 제1 세트의 이산 와류들과 제2 세트의 이산 와류들을 비교하는 것에 의해 와류들의 변화들을 추적하는 동작, 및 상기 추적에 기초하여 한 개 이상의 잠재적인 사운드 발생 와류 구조체를 확인하는 동작을 포함할 수 있다.

도 1a는 유동에 의한 소음 확인을 위한 공정의 흐름도이다.
도 1b는 유동에 의한 소음 확인을 위한 공정의 흐름도이다.
도 1c는 유동에 의한 소음 확인을 위한 공정의 흐름도이다.
도 2a는 동방향 회전 와류 시스템(co-rotating vortices(CRV) system)을 개략적으로 도시한다.
도 2b는 각기 다른 순환 강도를 갖는 CRV 시스템을 도시한다.
도 3은 동방향 회전 와류 시스템을 위한 합류(合流) 공정을 개략적으로 도시한다.
도 4는 CRV 시뮬레이션 범위(domain)를 도시한다.
도 5a 및 도 5b는 두 개의 와류들의 시간-전개에 대한 유체 평면 dB-맵들을 도시한다.
도 5c 및 도 5d는 도 5a 및 도 5b에 도시된 와동장(vorticity field)들에 의해 방사되는 소음의 순간 주파수와 강도를 나타낸다.
도 6은 예시적인 재구성 방사 음장(acoustic field)을 나타낸다.
도 7은 네 개의 시점들에 상응하는 유동장들 및 음장들의 예시적인 시뮬레이션을 도시한다.
도 8a 및 도 8b는 노즐 출구로부터 3mm 상류에서의 제트 축선을 따르는 평균 유동방향 속도 성분 및 유동방향 속도 프로파일을 각각 도시한다.
도 9는 여러 위치들과 평면들에서의 순간 와동장을 도시한다.
도 10a 및 도 10b는 순간적인 압력 변동 그래프 및 OASPL 지향성 도표(plot)를 각각 도시한다.
도 11 및 도 12는 재구성 센터라인들과 오류 범위(error sphere)들을 각각 도시한 플롯이다.
도 13 및 도 14는 (x, y) 평면에 투영된 와류들의 분포 및 x-축선을 따르는 와류 길이의 분포를 각각 도시한다.
도 15는 재구성 센터라인들의 예를 도시한다.
도 16은 x-축선을 따르는 평균 대류 속도의 예시적인 그래프이다.
도 17은 팽창(stretching) 별로 채색된 재구성 센터라인들의 예를 도시한다.
도 18은 x-축선을 따르는 프레임 당 평균 팽창률의 예시적인 그래프이다.
도 19a 내지 도 19d는 소음원들의 밀도를 포함한 예시적인 시뮬레이션 결과들을 도시한다.
도 20은 예시적인 시뮬레이션 결과들을 도시한다.
도 21a 및 도 21b는 두 개의 예시적인 이중 제트 노즐 구성을 도시한다.
도 22a 및 도 22b는 도 21a 및 도 21b의 노즐 구성들에 대해 시뮬레이션된 와류들의 공간 분포를 도시한다.
도 23은 도 21a 및 도 21b의 노즐 구성들에 대해 각기 다른 대역들에서 시뮬레이션된 소음원들의 분포를 도시한다.
도 24는 도 21a 및 도 21b의 노즐 구성들에 대한 시뮬레이션 결과 검출된 소음원들의 총량을 도시한다.
도 25a 및 도 25b는 두 개의 예시적인 차량용 미러 구성을 도시한다.
도 26 내지 도 32는 도 25a 및 도 25b의 미러 구성들에 대한 시뮬레이션 결과들을 도시한다.
도 33a 및 도 33b는 예시적인 베이스라인 미러(baseline mirror) 및 후연부 연장 미러(trailing edge extension mirror)를 도시한다.
도 34 내지 도 36은 도 33a 및 도 33b의 미러 구성들에 대한 시뮬레이션 결과들을 도시한다.
도 37a 및 도 37b는 덕트들, 송풍구(vent)들 및 대시보드를 구비한 HVAC 시스템의 예시적인 지오메트리를 도시한다.
도 38a 및 도 38b는 덕트 지오메트리의 개조례들을 도시한다.
도 39a 및 도 39b는 덕트 지오메트리의 개조례들을 도시한다.
도 40 내지 도 42b는 시뮬레이션 결과들을 도시한다.

본 명세서에서는 유동에 의한 소음원 확인 방법(FINSIM: Flow-Induced Noise Identification Method)에 대해 설명한다. 유동 내의 응집 와류 구조체는 유동에 의한 소음 발생 메커니즘과 밀접한 관련이 있고, 관련된 와류들의 시간적인 그리고 공간적인 전개의 특징을 파악하는 것에 의해 소음 발생의 원인이 되는 물리적 소음원들이 확인될 수 있을 것으로 생각된다. 구체적으로, 소음을 원거리장(far-field)으로 방사할 가능성이 있는 와류들 및 와류 시스템들을 확인하고 추적하기 위한 방법과 시스템을 설명한다. 열 장치(thermal configuration)의 경우에, FINSIM은 온도장(또는 임의의 이와 관련된 수동 또는 능동 스칼라장)의 공간 및 시간의 변화를 분석하여 엔트로피원의 음향 방사를 추정하는 데에도 사용될 수 있다.

본 명세서에서 설명하는 시스템과 방법은 와류 운동(예컨대, 동방향 회전 와류 시스템들(CRV)) 및 와류 팽창에 의해 발생되는 소음을 확인한다. 예를 들면, 시스템은,

1. 개별 CRV 시스템들로서의 각각의 관련 와류쌍을 확인하고, 이와 등가인 사중극자형 소음원 및 이에 상응하는 음향 방사를 결정(예컨대, CRV 운동을 추적하고 파월의 이론(Powell's theory)에 따라 방사된 장을 재구성하는 데 과도 유동장(transient flow field)이 사용됨)하고;

2. 유동 내의 검출된 각 와류의 팽창률 및 이에 상응하는 이중극자형 음향 방사를 확인하고; 그리고/또는

3. 엔트로피원들 및 이에 상응하는 단극자형 음향 방사를 확인한다.

와류들의 전체 유동장의 운동을 분석하는 것에 의해, 완전한 원거리장 소음이 추정될 수 있고 물리적인 소음원들의 특성이 분석될 수 있다.

개요

도 1a는 유동에 의한 소음 확인을 위한 공정을 나타내는 흐름도이다. 시스템은 예를 들어 나비어-스톡스(Navier-Stokes) 및 격자 볼츠만(Lattice Boltzmann)에 기초한 컴퓨터 유체역학 솔버(solver)로부터의 유체 유동 시뮬레이션으로부터 과도 유동 데이터를 수신한다. 이러한 시뮬레이션 데이터는 와류들을 확인하는데 사용되는 시간 및 공간 종속적인 체적 정보를 제공한다.

본 발명의 방법은 유동 데이터를 분석하여 와류들 및 유동 시뮬레이션의 다수의 시간 단계들에서의 위치, 길이, 반경 및 순환과 같은 와류 특성들을 확인하는 단계(10)를 포함한다. 하기에서 상세하게 설명하는 것처럼, 각각의 시간 프레임에 대해, 시스템은 다수의 와류들을 확인하는데, 각각의 와류는 본 명세서에서는 와류의 센터라인이라 하는 연결된 점들의 세트로 표현된다. 각각의 와류에 대한 센터라인들과 와류들의 위치는 여러 가지 기법들을 이용하여 생성될 수 있다. 예를 들면, 삼차원 시뮬레이션에서는, λ₂기준(예컨대, 대칭 텐서(symmetric tensor)(Ω₂+S₂)의 제2 고유값 λ₂ (λ₁≥λ₂≥λ₃)가 와류 코어 내의부의 모든 지점에서 음인 구역으로서의 와류 구역을 확인하는데 사용되는 기준)이 시뮬레이션되는 시스템 내의 와류를 포함할 가능성이 있는 구역들을 확인하는 데 사용될 수 있다. 와류를 포함할 가능성이 있는 것으로 확인되는 구역들은 총괄하여, 수동으로 정해지거나 혹은 본 발명의 방법에 의해 자동으로 결정되는 임계치보다 낮은 λ₂값들을 갖는 구역들을 포함하는 등밀도면(isosurface)으로 표현될 수 있다. 따라서 확인된 등밀도면은 시뮬레이션 공간 내에 다수의 구역들을 포함할 것이고 임계 조건을 만족하는 와류들 전부를 담고 있을 것이다. 이산 와류들과 연관된 등밀도면의 독립된(self-contained) 부분들을 확인하도록 등밀도면의 추가적인 계산이 완료될 수 있다. 예를 들면 플러딩 알고리즘(flooding algorithm)은 복셀(voxel)들의 비-접촉 덩어리(clump)들을 분리할 수 있고, 이어서 알고리즘이 각각의 덩어리가 단 하나의 와류를 표현하도록 작은 덩어리들에서 큰 덩어리들을 분할할 수 있다(서브디비전(subdivision) 프로세스가 1회를 초과하여 반복될 수 있음). 어떤 예들에서는, 임계 개수 미만의 복셀들을 담고 있거나 혹은 임계 개수 미만의 최대 순환을 가지는 복셀 덩어리가 제거될 수 있다(예컨대, 검토에서 무시할 수 있는 와류들을 제거하기 위함). 이러한 독립 등밀도면들이 확인되고 나면, 확인된 와류들 각각에 대한 센터라인을 삼각 측량하거나 그렇지 않으면 결정하는데 알고리즘이 사용될 수 있다. 하기에서 보다 상세하게 설명하는 것처럼, 와도 및 Q-기준과 같은 다른 양들이 와류들을 확인하는 데 사용될 수 있다.

유체 유동 시뮬레이션 내의 적어도 두 개의 시간 프레임들 동안 시스템 내의 와류들의 세트가 확인되고 나면, 방법은 두 개의 서로 다른 시간 단계들에서 확인된 와류들을 비교하는 것에 의해 와류들을 공간적으로 추적하는 단계(12)를 포함한다. 구체적으로, 알고리즘은, 가능하다면, 와류들의 센터라인 표현들에 기초하여 제1 시간 단계에서의 와류들 각각을 제2 시간 단계에서의 연관된 와류와 매치시킨다. 또한, 알고리즘은 제2 시간 프레임의 특정 와류가 이전에 확인된 와류, 새로운 와류, 와류들의 다수의 새로운 와류들로의 분할 또는 다수의 와류들의 하나의 새 와류로의 병합의 실체화(instantiation)인지 결정한다. 와류들 각각의 운동을 추적하는 것에 의해 각각의 와류에 관한 크기, 속도, 세기, 팽창(stretching), 운동 방향 및 임의의 동적 정보가 생성될 수 있다.

추적 정보를 사용하여, 시스템은 소음 발생 와류들의 후보일 수 있는 와류들의 간단하거나 혹은 복잡한 시스템을 확인한다(14). 구체적으로, 높은 팽창률을 갖는 동방향 회전 시스템들 또는 와류들이 다른 와류들보다 더 소음을 발생시킬 가능성이 높다. 이와 같이, 추적 정보에 기초하여, 이러한 특징들을 만족시키는 와류들 또는 와류들의 시스템들(예컨대, 동방향 회전 와류들 및 길어지거나 짧아지거나 혹은 비틀리는 것에 의해 팽창되는 와류들)이 크기, 속도 및 이동 방향 정보에 기초하여 확인될 수 있다.

와류들 및 와류들의 시스템들이 확인된 후에, 시스템은 와류들에 의해 발생되는 소음을 모델링한다(16). 소음 모델링은 각각의 소음원에 대한 그리고 개별 소음원들 전부로 이루어진 전체 시스템에 대한 주파수, 진폭, 위치, 방향성 및 방사 파워의 재구성을 포함한다. 동방향 회전 와류들의 경우, 이전의 모든 정보가 파월의 이론을 일반화시켜서 유도되는 와류 사운드 이론에 기초하여 재구성된다. 이 이론은 와류의 동력학적 성질들(예컨대, 회전 속도, 성장률 및/또는 상대 운동)과 소음 발생 간의 링크를 만든다. 팽창 와류들의 경우, 파월의 이론으로부터 유도된 단극자형 소음 모델링에 결합된 추적 알고리즘에 의해서 이 팽창 소음 기여도(contribution)를 얻을 수 있다. 이 기여도는 와류 구조체들의 형상, 길이, 세기, 순환 및 변형률의 전개와 관련이 있다.

시스템은 또한 결정된 소음 정보에 대한 후처리 작업을 수행하여 시스템의 운영자에게 정보의 유용한 특징들을 추출하여 표시한다. 예를 들면, 데이터의 후처리는 소음 발생 구조체의 밀도 맵을 생성하는 데 사용될 수 있다. 예를 들면, 다수의 서로 다른 시간 프레임들로부터 얻어진 소음 데이터는 동방향 와류들 및 팽창 와류들에 의해 발생되는 소음에 기초하여 소음 발생 구조체의 주파수를 나타내는 밀도 맵을 생성하도록 적산될 수 있다. 다른 예에서, 후처리는 소음 발생 구조체의 수치(count)가 높은 장소들을 확인하는 데 사용될 수 있다. 다른 예에서, 다수의 서로 다른 시간 프레임들로부터 얻어진 소음 데이터는 동방향 와류들 및 팽창 와류들에 의해 발생되는 소음에 기초하여 시간-평균 방사 음향 파워맵을 생성하도록 적산될 수 있다. 다른 예에서, 후처리는 소음 발생 구조체들의 밀도와 수치를 조사하는 방향에 의해, 그렇지만 특정 방향으로 지향되는 소음에 대해서만, 소음 발생 구조체들을 필터링하는 데 사용될 수 있다. 다른 예에서, 데이터는 소음 중의 특정 주파수들만이 사용자에게 표시되도록 주파수에 기초하여 후처리될 수 있다. 다른 예에서, 소음원들에 대한 정보는 소음 발생의 원인이 되는 주변의 지오메트리 구역들(예컨대, 단차들, 갭들 및/또는 날카로운 모서리들)을 확인하고 그 위치를 파악하도록 유동 데이터에 결합될 수 있다.

와류 사운드의 파월의 이론의 개요

위에서 언급된 바와 같이, 시스템 내에서 발생되는 사운드를 결정하는 한 가지 방법은 파월의 와류 사운드 이론을 적용하는 것에 기초하고 있다. 자유 유동들에서는, 유동 사운드가 와류의 운동에 의해 발생되는 것으로 간주된다. 유동 내의 어느 부분에서 와도 변화가 일어날 때 다른 어느 부분에서 상반되는 변화가 일어나게 하는 고체 표면이 없기 때문에, 모멘텀의 변화는 없다. 각각의 와류는 강도와 형상의 변화를 겪는데, 두 경우 모두 이중극자형 방사를 발생시킨다. 그러면 와류 운동으로 인한 원거리장 음향 밀도 변동에 대한 일반식이 다음과 같이 유동될 수 있다.

여기서,

는 적분 벡터

의

에 대한 투영이고,

는 관찰자 위치 벡터이고,

는 와도 벡터이고,

는 속도 벡터이다.

는 유체의 요소 체적(elementary volume)이다.

는 평균 밀도이고, c는 음속이다. 와류 코어라인(coreline) 요소들의 면에서 적분 체적(V)의 이산화가 사용되고, 원거리장 밀도 변동에 대한 새로운 식이 식 1a로부터 유도된다.

여기서, k는 특유의 이산화된 한 와류 코어라인의 서브-요소를 나타낸다. 이제 도 2a에 도시된 것처럼 동일한 순환(Γ)(각각 화살표 34 및 36에 의해 표시됨)을 가지고 2y만큼 이격되어 있는 두 개의 동방향 회전하는 와류들(30, 32)의 시스템을 생각하자. 이러한 시스템은 와류들이 축선(O(38))을 중심으로 하여 각속도

로 회전하도록 유도하는데, 여기서 Γ와 y는 상수이다. 식 1b의 각속도를 이용하는 것에 의해, 밀도 변동은 이제 아래 식과 같이 주어진다.

여기서, Δl은 와류 코어라인 요소의 길이다. 음파의 시간 지연이 무시될 수 있도록 Δl<<λ(λ는 음파의 파장)라 가정한다. 식 2에서 사용된 단위 벡터들은, 예를 들어, 동방향 회전 와류(CRV) 시스템을 나타내는 도 2a에 기재되어 있다. 결과적으로, 이 CRV 시스템에 상응하는 방사 사운드 파워는

이다. 파월의 이론은 점성 효과를 무시하며(하기에 설명함), 그 결과 CRV의 끊임없는 운동이 일어난다. 이와 대응하는 음향 시스템은 축선을 중심으로 회전하는 네 개의 일정한 압력 극성들로 이루어진 회전 사중극자이다.

사운드는 또한 유동 내의 와류의 강도 변화에 의해서도 발생된다. 예를 들면, 와류 링들의 팽창에 의해 풍성음이 발생되고, 방사된 소음은 이중극자 방사에 대응한다. 그러나 그러한 강도 변화는 유동 내에서 독립적으로 일어나지 않으며, 상반되는 팽창이 시간적으로 지연된 기간에 나타나 쉐딩(shedding)이 발생될 가능성이 있다. 결과적으로, 진동하는 사중극자형 소음원이 발견될 것이다. 파월은 또한 이중극자형 방사에 대한 이론도 전개했다. 변동 속도에 대한 상응하는 식은

이며,

인 램 벡터(Lamb vector)이고,

이다. 와류 팽창에서, 와류 요소의 그 축선과 직교하는 방향으로의 가속에 의해 국부적으로 변동하는 이중극자형 유동(램 벡터의 시간 미분을 공간 적분하는 것을 통해 얻어짐)이 야기되기 때문에 사운드 방사가 일어난다.

파월의 이론의 확장

파월의 이론에서, 와류들은 그것들의 스핀 축선에 중심을 둔 위치들과 순환들을 통해 표현된다. 와류들의 크기와 순환 둘 다를 변화를 계산에 넣기 위하여, 아래와 같은 스컬리 와류 모델(Scully vortex model)이 회전 속도에 대해 사용된다.

두 개의 와류들의 강도 차이는 회전 시스템에 영향을 준다. 순환이 서로 다른 두 개의 와류들(예컨대, 도 2b의 와류들(50, 52))을 고려하면, 도 2b에서 규정된 파라미터들에 따라, 시스템의 각속도는

이다. 회전 중심의 위치는

로 정해진다. 식 1b에서 시작하여 그리고 시스템(도 2b)의 지오메트리 파라미터들을 이용하면, 밀도 섭동(density perturbation)과 음향 파워는

가 되며, 여기서 R, θ 및 Z는 CRV 시스템의 기준 프레임 내에서의

의 원통 좌표계이다.

이는 와류의 형상이 일관성 있게 유지되는 것을 가정한다(즉, 점 모델(point model)에 의해 거의 정확하게 계산됨). 순환비가 소정의 임계치 이상이면, 더 복잡한 점성 효과가 발생해서 저순환 와류의 크기 변화를 통한 소음 발생을 초래한다. 도 2a는 동방향 회전 와류(CRV) 시스템을 예시적으로 간략하게 표현한 것이고, 도 2b는 순환 강도가 서로 다른 동방향 회전 와류(CRV) 시스템을 예시적으로 간략하게 표현한 것이다.

점성 효과를 고려하는 경우에, 더 복잡한 메커니즘이 필요하고 CRV 와류쌍은 결국 병합된다. 병합 프로세스는 네 개의 단계들, 즉

● 제1 확산 단계,

● 대류 단계,

● 제2 확산 단계,

● 최종 확산 단계

로 이루어진다.

제1 확산 단계는 와류들의 회전 및 유체의 점성으로 인한 각각의 와류의 확산에 상응하는데, 이는 제곱근 법칙

에 따라 코어 반경들을 증가시킨다. 이 단계 중에, 파월의 사중극자 유추가 성공적으로 적용될 수 있다. 대류 단계는 코어 반경이 r_c _critical = 0.290b₀(b₀= 2y₀, 즉 두 와류 간의 초기 거리)과 같은 임계값에 도달할 때 개시된다. b₀앞의 계수는 정확한 설정 조건들에 따라 달라진다. 층와류(laminar vortex)의 경우 대류 단계의 지속 시간(t _c )은 실험에 의해

인 것으로 알려져 있다. 와류들 간의 거리는 이 단계 중에 감소되고, 확산은 단지 미미한 역할만을 한다. 또한 이 단계 중에, 회전 속도는 증가되어, 와사(vorticity filament)들을 발생시키는 비대칭 와동장을 발생시킨다. 제2 확산 단계는 와류들이 병합(b=0)되는 데 필요한 기간에 상응하고, 최종 분산 단계는 최종적으로 발생된 단 한 개의 병합후 와류의 분산이다. 본 명세서에 기재된 CRV 시스템들의 LBM 시뮬레이션으로부터 얻어진 네 개의 단계들이 도 3에 도시되어 있다. 도 3은 (a) 제1 분산 단계, (2) 대류 단계, (c) 제2 분산 단계, (d) 최종 분산 단계에서의 LB< CRV 시뮬레이션으로부터 얻어진 순간 와동장(Ω[s^(-1)])을 도시한다.

소음원 확인

본 명세서에 기재된 유동에 의한 소음 확인 방법(FINSIM)에 의한 접근법은 실제 산업에서 나타나는 임의의 복잡한 유동들에서 사운드 발생의 원인이 되는 와류 구조체들을 확인하고 추적한다. 관심있는 와류 구조체들은 동방향 회전 와류(CRV) 쌍들 및 (예컨대, 균일하지 않은 비율로) 팽창되는 와류들이다. CRV 소음원들에 대해, FINSIM은 개별 CRV 시스템으로서의 각각의 연관된 와류 쌍을 확인하고, 이와 등가인 사중극자형 소음원들과 이에 상응하는 음향 방사를 결정한다. 와류들의 전체 유동장의 운동을 연구하는 것에 의해, 완전한 사중극자-기반 원거리장 소음이 추정될 수 있고, 물리적 소음원의 특성들이 분석될 수 있다. 제안된 추적안은 소음 발생을 위한 가장 중요한 메커니즘들인 것으로 생각되는 CRV 운동의 제1 분산 단계 및 대류 단계의 시작 도중에 효과적이다.

도 1b를 참조하면, 유동에 의한 소음 확인 방법(FINSIM)에 의한 접근법의 흐름도가 도시되어 있다. 높은 레벨에서, FINSIM 접근법은 와류 검출(102), 와류 추적(114) 및 소음 특성들(132)을 발생시키는 소음 모델링(128/130)을 포함한다.

FINSIM 접근법의 와류 검출(102) 부분은 와류들의 검출을 위해 사용된다. 와류들의 확인은 순간 압력, 와도, Q-기준, λ2-기준 또는 천이 유동 및 난류 내의 이산 와류들을 확인할 수 있는 다른 방법들에 기초하여 행해질 수 있다. 이차원에서는, 와류들은 와도에 기초하여 추출될 수 있다. 3D 경우들에 대해서는, λ2-기준을 사용하는 것이 더 적당할 수 있다.

구체적으로는, 도 1c에 도시된 것처럼, 와류 검출 프로세스(102)는 유동 시뮬레이터로부터 측정 파일(100)을 수신한다(150). 측정 파일은 각각의 복셀 내의 (또는 확인된 구역에 대한 복셀들의 서브세트 내의) 입자들의 유동에 대한 정보를 포함한다. 측정 파일은 유동 데이터의 한 개 이상의 프레임들(예컨대, 시뮬레이션 내의 별도의 시간 단계들)을 포함한다. 유동 데이터에 기초하여, 시스템은 각각의 프레임에 대해 각각의 복셀을 위한 λ ₂와 와도 벡터를 계산한다(152). 이 값들은 와류의 위치를 정하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 낮은 값의 λ ₂는 와류의 센터라인에 가까울 가능성이 있다. 그러면 λ ₂와 와도 벡터는 복셀들의 와류 덩어리들(예컨대, 등밀도면)을 발생하는 데 사용되며(154), 여기서 각각의 덩어리가 한 개의 와류/한 그룹의 접촉 와류들에 상응한다. 복셀들의 덩어리들을 발생하기 위해, 시스템은 λ ₂와 와도 벡터들에 대한 값들을 미리 정해진 임계치들과 비교하여 미리 정해진 범위 내의 값을 갖는 λ ₂와 와도 벡터들을 갖는 복셀들의 서브세트를 선택한다. 초기 복셀 덩어리들은 중첩되는 와류들을 포함할 수 있고, 이에 따라 시스템은 와류 덩어리들을 정제(refine)하여 각각의 그룹의 접촉 와류들을 단일 와류들로 분리한다(156). 작은 와류들(예컨대, 임계 크기보다 작은 와류들)을 제거하기 위하여, 시스템은 덩어리들을 크기에 기초하여 필터링한다(158). 나머지 복셀 덩어리들에 대해, 시스템은 각각의 복셀 덩어리에 대한 센터라인을 생성한다(160). 센터라인 정보는 위치(106) 및 길이와 반경(108) 같은 여러 가지 와류 특성들(104)을 포함한다.

FINSIM 접근법의 와류 추적 부분(114)은 각각의 와류의 변위를 확인한다. 이 부분에서, 개별 시점들(t_i 및 t_i+1)에서의 모든 와류들의 파라미터들(위치, 반경, 순환 등)이 계산되고, 추적 알고리즘은 t_i 및 t_i+1 사이의 각각의 와류의 변위를 확인한다. 구체적으로, 추적 알고리즘은 시뮬레이션의 현재 프레임으로부터의 센터라인 데이터(110)와 시뮬레이션의 이전 프레임으로부터의 센터라인 데이터(112)를 수신한다. 이들 두 세트의 센터라인 데이터에 기초하여, 추적 알고리즘은 와류 동적 정보(116)를 생성한다. 이 정보는 와류들의 궤적 정보(118), 대류 속도(120) 및 팽창/변형에 대한 정보(122)를 포함한다. 와류 동적 정보(116)에 기초하여, 추적 알고리즘은 동방향 회전 와류쌍들과 연관된 추적 데이터(124)와 팽창되고 있는 와류들과 연관된 팽창 데이터(130)를 출력할 수 있다. 동방향 회전 와류쌍들을 확인하는 것은 예를 들어 와류 시스템 운동을 분석하는 것을 포함한다. 각각의 CRV 시스템을 확인하는 것은 각각의 와류의 위치와 변위를 계산하는 것과 가장 가까이 있는 이웃 와류들을 결정하는 것에 기초하고 있다. 그런 다음 와류 및 이웃 와류들은 개별 CRV 시스템들로 간주된다. 가능성 있는 CRV 시스템의 수는 와류 간의 거리가 임계치 보다 큰 시스템들을 배제하는 것에 의해 감소된다. CRV 시스템의 자체 회전 정보는 그 동적 정보로부터 추출되고, 모델링을 위해 사용된다.

팽창 와류들을 확인하는 것은 예를 들어 개별 구조체의 길이 또는 순환(구조체 확인 절차로부터 알려진 정보)의 성장률을 계산하는 것을 포함한다. 와류들의 길이 또는 강도의 변화로부터 팽창 와류들이 검출될 수 있다.

FINSIM 접근법의 소음 모델링 부분(들)(128, 130)은 확인된 와류들에 의해 발생되는 소음을 도출해 낸다. 구체적으로, 각각의 CRV에 대해, 그 동적 정보에 기초하여, 발생된 소음은 확장된 파월의 이론에 따라 도출된다. 와류 팽창으로 인한 소음 발생 역시 도출된다. 소음 모델링은 시스템에 대한 소음 특성들의 세트(예컨대, 시스템 내의 각각의 소음 발생 와류에 대한 소음 특성들의 합산(summation) 또는 모음(compilation))를 생성한다. 소음 특성들은 주파수(134), 위치(136), 방향성(138) 및 방사 파워(140)를 포함할 수 있다. 소음 특성들은 확인될 수 있고 시뮬레이션되는 시스템 내의 위치들과 연관될 수 있다. 예를 들어, 시스템 내의 각각의 복셀에 대한 특성들이 결정될 수 있다. 주파수 정보(134)는 사운드의 어떤 주파수들은 소란(disturbance)을 더 잘 일으킬 수 있는 반면 다른 주파수들은 사람의 귀에 의해 인식될 수 있는 스펙트럼의 외부에 있을 수 있기 때문에 중요하다. 위치 정보(136)는 소음을 발생시키는 시스템 내의 장소들을 확인하는 데 유용할 수 있다. 이 정보는 시뮬레이션되는 물체의 물리적 구성 내의 소음 발생 구조체들을 역추적하는 데 사용될 수 있다. 소음 와류들을 유도하는 원인이 되는 구성 내의 물리적 위치는 예를 들어 리버스 프러블럼(reverse problem)을 실시하는 것에 의해 결정될 수 있다. 유동 내에서의 소음원의 물리적 위치를 알면, 예를 들어 평균 유동 스트림라인들, 와류 궤적 또는 역-입자 추적 알고리즘을 이용하여 사운드의 원인이 되는 와류들이 처음에 발생한 장소를 확인할 수 있다. 위치 정보는 소음 발생 와류들을 갖는 복셀들이 확인되는 그래프로 표시될 수 있다. 와류들에 대한 방향성 정보(138) 역시 중요할 수 있다. 예를 들어, 자동차의 사이드 미러가 소음을 발생시키지만 소음의 방향이 창문을 향하기보다는 자동차로부터 멀어지는 방향이라면, 자동차 내의 개인들의 안락함에 대한 소음의 영향은 감소될 수 있고 이에 따라 소음은 덜 중요할 수 있다. 마지막으로, 소음의 방사 파워 또는 진폭(140)은 특정 레벨의 소음에 대한 허용치(tolerance)가 만일 소음 레벨이 임계치 아래로 떨어지면 시스템을 불필요하게 변화시킬 수 있기 때문에 중요하다.

도 1b에는 도시되지 않았지만, 소음 데이터의 후처리가 사용자에게 이해가능하고 유용한 정보를 제공하는 데 이로울 수 있다. 예를 들어, 예측된 유동 및 방사 소음에 대해 발생된 결과에 기초하여, 유용한 값들(metrics), 표시들(displays) 및 정보가 사용자에게 제시될 수 있다. 이들은 와류 위치들과 대류 속도들, 특징적인 와류 수명, 와류 팽창 거동, 순간 방사 주파수, 소음원 위치들 및 강도들, 주파수-종속적인 세기 맵들 등에 대한 정보와 통계 자료를 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 후처리는 와류 위치들과 대류 속도들의 그래프를 생성하는 데 사용될 수 있다. 이 맵은 채색에 의해서 혹은 그렇지 않으면 각각이 복셀의 대류 속도에 대한 시각적인 지표를 제공하는 것에 의해 대류 속도에 대한 지시를 제공한다. 와류들이 존재하지 않는 위치들은 와류들의 부재를 지시하도록 비슷한 방식으로 채색될 것이다(예컨대, 연관된 대류 속도가 없을 것이거나 혹은 대류 속도가 임계치 아래일 것이기 때문임). 어떤 예들에서는, 와류 위치 및 대류 속도의 맵은 단일의 시점에 대해 표시되는 반면, 다른 예들에서는 다수의 시간 프레임들의 시간적인 전개가 제공된다.

다른 예에서, 후처리는 센터라인 위치들의 시작적인 표현을 제공하는 것에 의해 와류 위치들의 그래프를 생성하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 센터라인들은 복셀 내의 적절한 지표에 의해 시스템의 표현 상에 표시될 수 있다. 센터라인이 다수의 복셀들에 걸쳐 이어질 것이기 때문에, 복셀들에 대한 센터라인들은 복셀들 각각 내에 적절한 지표를 제공하는 것에 의해 표시될 것이다. 또한, 센터라인에 의해 방사된 소음의 강도 또는 진폭이 시각적으로 지시될 수 있다. 예를 들어, 센터라인이 적절한 위치(들)에 라인에 의해 표현되면, 라인의 폭 또는 색상이 와류에 의해 발생된 사운드의 진폭에 대한 정보를 제공할 수 있다. 이러한 정보는 시뮬레이션 내의 단일 시간 단계 동안 또는 다수의 시간 단계들에 걸치는 시간에 기반한 전개로서 표시될 수 있다.

다른 예에서, 후처리는 시스템 내에서 발생된 사운드들의 주파수의 그래프를 생성하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 소음원 밀도(예컨대, 시스템 내의 와류의 수)에 대한 와류에 의해 발생된 사운드의 주파수의 그래프가 생성될 수 있다. 다른 예에서, 방사 음향 파워(예컨대, 여러 와류 시스템들에 의해 발생된 시간 평균 음향 파워)에 대한 와류에 의해 발생된 사운드의 주파수의 그래프가 생성될 수 있다. 어떤 예들에서는, 다수의 서로 다른 디자인들이 시뮬레이션되고, 발생된 사운드 주파수들의 비교가 제공될 수 있다(예컨대, 두 디자인 모두에 대한 정보를 포함하는 그래프).

다른 예에서, 후처리는 와류 위치들 및 강도의 그래프를 생성하는 데 사용될 수 있다. 이 맵은 채색에 의해서 혹은 그렇지 않으면 각각이 복셀의 대류 속도에 대한 시각적인 지표를 제공하는 것에 의해 와류 강도의 지표를 제공한다. 와류들이 존재하지 않는 위치들은 와류들의 부재를 지시하도록 비슷한 방식으로 채색될 것이다(예컨대, 강도가 임계치 아래일 것이기 때문임).

다른 예에서, 후처리는 특유한 와류 수명의 그래프를 생성하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 총 이동 거리에 따른 와류들의 분포의 그래프가 생성될 수 있다. 많은 디자인들에서 난류가 문제될 수 있고, 응집성 구조체들(coherent structures)의 수명은 기계적인 피로를 또는 물체의 간접 상호작용을 방지하도록 감소되어야 한다. 와류들의 이동 거리를 최소화하는 것에 의해 적절한 디자인이 선택될 수 있다.

다른 예에서, 후처리는 와류 팽창 거동의 그래프를 생성하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 시뮬레이션된 물체의 특정 방향을 따르는 와류들의 팽창률의 도표(plot)가 생성될 수 있다. 어떤 디자인들에서는, 유동 내의 난류, 즉 와류들의 세기나 크기가 가능한 한 신속하게 쇠퇴해야 하고, 효과적인 디자인은 팽창률 분포를 고려하여 결정될 수 있다.

다른 예에서, 후처리는 순간 방사 주파수들의 그래프를 생성하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 주파수 별로 채색된 소음원들의 공간 맵이 생성되어 애니메이션(time animation)으로 제시될 수 있다. 어떤 디자인들에서는, 유동 내에서 발생된 소음이 원거리장 프로브의 SPL 그래프의 최고치들에 상응하는 허용되지 않은 레벨까지 도달할 수 있다. 주파수 별로 채색된 소음원들의 맵은 이러한 특정 톤(tone)에 대한 유동 구역들을 확인하는 데 도움이 되고, 소음원들의 운동의 애니메이션을 통해 그러한 레벨의 원인이 되는 소음을 유발하는 와류들의 수명에 대한 이해(insight)를 제공한다.

다른 예에서, 후처리는 주파수에 종속적인 세기 맵들을 생성하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 그래프는 채색에 의해서 혹은 그렇지 않으면 각각이 복셀의 대류 속도에 대한 시각적인 지표를 제공하는 것에 의해 와류 강도의 지표를 제공하도록 생성될 수 있다. 이 그래프에 대한 정보는 사용자가 선택한 범위의 주파수들을 표시하도록 필터링될 수 있다. 예를 들어, 사용자는 사람의 귀에 감지될 수 있는 주파수들만을 또는 개인의 안락함에 지장을 주는 것으로 인식될 수 있는 높은 주파수들만을 표시하도록 희망할 수 있다. 연관된 복셀 기반 그래프에서 주파수 별로 필터링하면, 사용자가 관심 있는 주파수 범위 내에서 가장 많은 소음을 발생시키는 시스템 내의 위치들에 주의를 집중할 수 있게 된다.

다른 예에서, 후처리는 관심 있는 주파수 범위에 대한 파워의 그래프를 생성하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 정해진 구역 내의 모든 소음원들의 시뮬레이션 시간 동안의 평균 파워의 SPL 그래프가 생성될 수 있다. 어떤 물체에 대해서는, 유동에 의한 소음이 공간 내의 몇몇 위치들로부터 유래될 수 있다. 원거리장에서는, 음향 파워가 어느 구역으로부터 유래되는 지 정확하게 찾아내기가 어려울 수 있고, 이 정보는 소음 감소를 위한 수정이 필요한 물체의 부분들의 우선순위를 결정하는 것에 의해 더욱 양호한 디자인 프로세스에 도움을 준다.

다른 예에서, 후처리는 특정 영역에 대한 파워의 방향성을 생성하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 관심 있는 특정 구역의 중심에 위치한 영역에 대한 시간 평균 음향 파워의 분포가 생성될 수 있다. 디자인을 비교할 때, 방사된 파워의 총량 뿐만 아니라 그 방향성도 중요하다. 방향에 따라, 방사 음향 파워는 관심이 갈 수도 있거나(즉 소음이 감소되어야 할 방향), 혹은 무시될 수도 있다(즉 소음이 전혀 중요하지 않는 방향).

다른 예에서, 후처리는 공간 내의 여러 지점들의 음향 신호들을 재구성하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 임의의 표면상의 음압장이 시각화될 수 있거나 혹은 전송된 음향 파워의 양을 정량화하는 데 사용될 수 있다. 유동 구역에서, 음압장은 동수압장(hydrodynamic pressure field)의 변동 내에 숨겨져 있을 수 있으므로 직접 이용할 수는 없다. 필터링은 어렵고 수치적 노이즈에 의해 오염될 수 있다. 소음원들의 모델링을 이용하면, 음향 필터링은 유동 구역 내의 임의의 관심 지점의 음압장을 재구성함으로써 수행될 수 있다.

다른 실시예에서, 후처리는 소음원 원천(origin)의 표면 맵을 생성하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 물체의 표면은 관심 위치로부터 유래된 다수의 유동에 의한 소음원들 별로 국부적으로 채색될 수 있다. 어떤 디자인들에서는, 소음 발생의 원인이 되는 표면의 특정 구역들이 교정되기 전에 강조될 필요가 있다. 표면의 강조된 피스들을 수정하는 것에 의해, 소음원들이 그 세기가 감소될 수 있고 디자인은 개선될 수 있다.

격자 볼츠만법(LBM)

본 명세서에 언급된 것처럼, 여러 종류의 유동 시뮬레이션이 와류들을 확인하고 추적하는 데 사용되는 유동 정보를 생성하는 데 사용될 수 있다. 이러한 유동 시뮬레이션 중 하나는 격자 볼츠만법에 기초하고 있다. CFD/CAA 코드가 비정상 유동 특성(unsteady flow physics)을 계산하는 데 사용된다. 이 코드는 격자 볼츠만법(LBM)에 기초하고 있다. 격자 기반 방법은 전통적인 전산유체역학(CFD: Computational Fluid Dynamics)에 대한 대안적인 수치 해석 방법으로 제안되었다. 거시적 연속체 방정식에 기초한 통상적인 방법들과 달리, LBM은 거시적 유체 동력학을 예측하는 데 중시적 운동 방정식(mesoscopic kinetic equations), 즉 볼츠만 방정식에서 출발한다. 격자 볼츠만 방정식은 다음과 같은 형식을 가진다.

여기서, f _i 는 개별 속도 벡터들{c _i :i=0,..b}의 유한 집합에 따른, i ^th 방향으로 이동하는 입자 분포 함수이고, ciΔt 및 Δt는 각각 공간 증분 및 시간 증분이다. 편의를 위해, 하기의 논의에서는 관례적으로 Δt=1을 선택한다. 식(11)의 오른쪽에 있는 충돌항에 대해, 가장 간단하고 가장 일반적인 구현은 바트나가르-그로스-크룩(Bhatnagar-Gross-Krook) 형태이다.

여기서, τ는 완화 시간 파라미터이고,

는 국부 평형 분포 함수인데 맥스웰-볼츠만 형태를 따른다. 유체 밀도(ρ) 및 속도(u)와 같은 기본적인 수력학적 양(hydrodynamic quantities)은 모멘트 합산(moment summation)을 통해 얻어진다.

낮은 주파수와 긴 파장의 제한에서, 개별 속도 벡터들의 세트를 적절하게 선택하기 위해서는, 천이 압축성 나비어-스톡스 방정식들이 찹맨-엔스코그 전개법(Chapman-Enskog expansion)에 의해 나타나는 것처럼 회수(recover)된다. 결과적으로 만들어진 상태 방정식은 이상 기체 법칙을 따르며, 유체의 동점성(υ)은 완화 시간 파라미터(τ)와 온도(T)와 관련이 있다.

식들(11-15)을 조합하면 유체 동력학을 위한 일반적인 LBM안이 형성된다. 이는 복셀들이라고 하는 입방 체적 요소들로 구성된 그리드(grid) 상에서 해결되고, 가변 해석 전략(VR(Variable Resolution) strategy)을 사용할 수 있는데, 그리드 크기는 인접한 해석 구역들 중 두 구역의 인자에 의해 변한다.

동방향 회전 와류들(CRV)

A. 수치 설정

CRV 시스템을 시뮬레이션하는 데 LBM 직접 수치 시뮬레이션(DNS: Direct Numerical Simulation)이 사용되고, 두 개의 초기 와류들이 초기 조건으로 코어 반경 r_c=8x10^-4 및

인 순환

을 갖는 스컬리 모델을 이용하여 규정된다. 와류들 간의 초기 거리는 b ₀ =1.6x10-4m이고, ν _max 와 r _c 에 기초한 레이놀즈수(Re)는 Re=159이다. 시뮬레이션 범위는 2048r _c 제곱(60)(도 4)이다. 이 시뮬레이션 범위는 경계들에서의 음향 반사를 방지하기 위하여 높은 점성과 분해능(resolution)을 갖는 몇 개의 유체층들에 있는 스펀지존(62)으로 둘러싸여 있다. 스펀지존의 외부 가장자리의 경계 조건들은 무반사 조건들을 갖는 압력 출구들이고, 특성 압력(characteristic pressure)은 p ₀ =1001325Pa이다. 최소 복셀 크기는 Δx=r _c /30이다. CRV 방사의 연역적 추정 파장은 λ=1000r _c 이고, 시뮬레이션 범위와 측정 구역은 방사 음장을 포착하기에 충분히 크다. 시뮬레이션은 병합 프로세스가 완료될 때까지, 다시 말해 300,000시간-단계들에 상응하는 T=13.3x10^-3초 동안 수행된다.

B. CRV 시뮬레이션 결과 및 분석

도 3은 동방향 회전 와류들 시스템에 대한 병합 프로세스를 개략적으로 표현한 것이다. 도 3에서, 순간 와동장들이 도 3에 표현되어 있고, CRV의 네 개의 단계가 회수되는 것을 볼 수 있다. 운동학적 분석으로부터 예측된 각속도는 ω ₀ =208.3Hz이다. 시뮬레이션의 짧은 초기 전이(t=0.3ms) 후에 얻은 수렴값은 ω _0-sim =208Hz+/-3Hz이며, 이론값과 매우 잘 일치한다. 시간의 함수로서의 시뮬레이션 와류 코어 반경은 팽창 계수 a=2.3로 자승 법칙에 종속적임을 나타내고 있다. 세레텔리(Cerretelli)와 윌리엄슨(Williamson)으로부터, 램 오신 와류들(Lamb Oseen vortices)에 대한 값이 a=2.24인 반면, 실험에서는 a=1.9인 것으로 밝혀졌는데, 이는 예측값과 상당히 잘 맞는 것이다.

희망하는 사중극자 모델링, 특히 사중극자 소음원의 시간에 종속적인 특성화를 가능하게 하도록 두 개의 와류들의 완전한 시간 전개가 분석되었다. 도 5a 내지 도 5d는 Re=159인 동방향 회전 와류들에 대한 등와도선들(vorticity isocontours)(s^-1) 및 dB 공간 맵(dB)을 도시하는데, 도 5a와 도 5b는 t=0.91ms에서 계산된 것이다. 5c와 도 5d는 t=06.38ms에서 계산된 것이다. 도 5b와 도 5ㅇ에서, 유체 평면 dB 맵들(즉, 변동 압력 레벨 별로 채색된 복셀들/영역들을 갖는 이미지)이 도 5a와 도 5c의 도표들에 각각 도시된 와동장들에 의해 방사된 소음의 순간 주파수와 강도를 강조하여 도시되어 있다. 이 표현은 물리적 소음원들을 방향성에 대한 개념 없이 나타낸다. 두 개의 와류들이 점점 더 가까워지고 가속되면서 방사의 주파수가 시간에 따라 증가하는 것이 관찰되었다. 음향 파워 역시 시스템이 병합 프로세스로 인해 붕괴될 때까지 증가한다. 전체 재구성 방사 음장이 도 6에 도시되어 있다. LBM 시뮬레이션으로 직접 얻은 음장(회색조)과 FINSIM으로 계산된 압력파 극값들(선들(72, 74)로 표시됨)의 비교하면 충분히 일치하는데, 이 비교는 소음 모델링 단계를 위한 알고리즘의 타당성을 제공한다. 이는 단지 이차원 예이지만, (CRV 추적을 통한 소음 발생 예측의) 개념이 효과가 있다는 것을 나타내고 있다. 구체적으로, 도 6에서, 흑색과 백색은 LBM으로부터 예측된 200Hz와 1500Hz 사이의 [-0.5pa, 0.5pa] 범위에 있는 필터링된 음압장을 나타내며, 선들(72, 74)은 FINSIM으로 계산된 최소 압력파 값 및 최대 압력파 값에 상응한다.

2D 전단층 유동

A. 전단층 유동

앞선 연구는 전단층의 주요 구조체들에 의해 발생되는 소음이 사중극자의 성질을 가지며, 고립된 CRV 시스템과 매우 유사한 와류쌍 메커니즘과 관련이 있다는 것을 보여준다. 여기서, 중요한 소음원 동적 정보와 그에 따라 발생되는 사운드 장이 알려져 있는 비교적 간단한 경우에 대해 FINSIM을 설명하기 위해, 제1 조화 주파수 f ₀ =40KHz에 있는 이차원 강제 전단층(two-dimensional forced shear layer)이 시뮬레이션된다.

전단층(SL) 문제는 세 개의 파라미터들, 즉 두께(δ _w (0)), 최고 속도(U ₁ ) 및 최저 속도(U ₂ )에 의해 특징지어 진다. 입구 속도 프로파일은

로 주어지는데, 여기서

이다. 강제 전단층의 경우, 사인곡선형 가력 성분(sinusoidal forsing component)이

과 같은 θ에 더해진다. 상응하는 레이놀즈수는 δ _w (0)=4.34x10^-5m일 때 Re=250이다.

시뮬레이션 범위는 y방향으로 9600δ _w (0) 그리고 x방향을 따라 8800δ _w (0)에 이른다. 무방향 상태를 제공하도록 스펀지존들이 다시 사용된다. 2D DNS 시뮬레이션들은 80싸이클 이상, 즉 80개 이상의 기본 페어링들(primary pairings)에 대해 수행된다. 도 7에 도시된 것처럼, 강제 SL에 대해, 유동은 주기적이며, 검출 방법은 SL에서 발생한 두 개의 연속적인 와류들의 한 페어링 기간 동안의 시간의 네 개의 순간들에서 적용된다. 시간에 종속적인 유동 결과들은 FINSIM으로 처리되고, 사중극자 소음원들은 회수되고 페어링 메커니즘과 명백하게 연관될 수 있다(도 7). 페어링 주파수에 상응하는 주요 방사 주파수 역시 회수되고, 이는 시간 및 공간에 대해 종속성을 나타낸다. 구체적으로, 도 7은 강제 전단층 유동의 한 페어링 기간 내의 시간의 네 개의 시점들에 상응하는 유동 및 음장들을 도시한다. 위에서부터 아래로 t=0s; t=0.146s; t=0.151s; t=0.161s이다. 왼쪽의 그래프는 s-1에서의 와도 등고선을 나타내고, 가운데 그래프는 소음원들의 순간 공간 dB 맵들을 나타내고, 그리고 오른쪽 그래프는 재구성 음장을 나타내는데 라인(72)들은 압력파 최저치이고 라인(70)들은 압력파 최고치이다.

3D 제트 유동

A. 수치 설정

제트 유동은 항공우주에서부터 중장비에 이르기까지 여러 분야에서 중요한 소음원이다. 소음 발생의 메커니즘(난류 발생 및 와류-대-와류 상호작용)이 많은 연구자들에 의해 광범위하게 분석되었지만, 소음이 정확히 어디서 어떻게 발생되는지에 대한 지오메트리 디자인의 세부 사항의 영향은 아직 명백하게 이해되지 않고 있다. 따라서 제트들은 소음원 확인을 위한 흥미로운 예를 제공한다.

둥근 제트에 대한 시뮬레이션이 CMS000 구성(예를 들어 도 11 참조)에 대해 수행된다. 3D까지의 확장을 포함하는 FINSIM의 개발과 타당성 검증을 돕도록 커다란 3D 천이 유동 데이터 세트가 생성된다. 특성 길이는 노즐 직경에 상응하는 D=50.8mm이다.

제트 마하수는 M=0.35이고 레이놀즈수는 Re=410,000이다. 해상력은 Δx=1mm이고, 물리적 시간 t=0.1s의 시뮬레이션들이 수행된다. 앞서의 2D 경우들과 유사하게, 범위 경계들로부터의 의사 반사(spurious reflection)를 방지하기 위하여 노즐과 제트를 둘러싸는 스펀지존 방안이 사용된다.

B. 유동 및 소음 결과들

도 8a와 도 8b는 노즐 출구로부터 3mm 상류에서의 제트 축선을 따르는 평균 유동방향 속도 성분 및 유동방향 속도 프로파일을 각각 도시한다. 도 8a와 도 8b에서, 평균 유동방향 속도 성분이 노즐 축선을 따르는 실험치들과 그리고 출구로부터 3mm 상류에서의 노즐 프로파일 둘 다와 비교된다. 예측된 결과치들은 실험치들과 잘 일치한다. 특히, 노즐 내부의 경계층은 정확히 예측되고, 제트 팽창은, 잠재적인 코어와 함께, 잘 회수된다. 와동장의 순간 스냅샷들이 도 9에 표현되어 있는데, 전단층들에 존재하고 잠재적인 코어의 단부에서 제트의 난류 혼합에 의해 유도되는 구조체들을 포함하는 다수의 와류들이 제트 내에 존재하는 것을 나타낸다(도 9는 여러 위치들과 평면들에서의 순간 와동장을 나타냄).

음향 방사는 동일한 천이 시뮬레이션 내에서 포착되고, 순간 압력 변동을 나타내는 스냅샷이 도 10a에 도표로 도시되어 있는데, 도 10은 x축선방향으로 정렬된 평면에서의 순간 압력 변동을 나타내고 있다. 주요 소음원을 도면에서 시각적으로 확인할 수 있는데, 잠재적인 코어의 단부로부터 나오고 있다. 노즐 출구로부터 100D 떨어져 위치된 마이크로폰에서 측정된 전체 사운드 레벨의 방향성이 도 10b에 도시되어 있는데, 도 10b는 OASPL 방향성 도표를 나타내고 있다. 소음 레벨들 및 방향 종속성은 잘 예측되고, 특히 관찰 각도의 증가에 따른 소음 레벨의 증가가 얻어진다.

C. FINSIM 결과들

이전에 제시된 소음원 확인법은 3D 천이 입력에 맞춰져 있고, 3D 제트 시뮬레이션의 소음원들을 분석하는 데 사용된다. 우선, 시뮬레이션 측정 파일들이 와류 검출 방법에 입력되고, 와류 검출 방법은 와류 코어 센터라인들 및 반경, 위치, 길이 등과 같은 각각의 와류에 대한 기타 지오메트리 정보를 반환한다. 와류 센터라인들과 반경들(즉, λ-2 등밀도면의 평균 반경)로부터, 와류 구조체들이 (예컨대, 재구성 센터라인들을 나타내는) 도 11에 시각화되어 있는 것처럼 단순화된 형태로 재구성된다. 와류들이 발생되는 잠재적인 코어에 가까운 전단층에서 고밀도의 와류들이 관찰된다. 그 다음에 와류들은 대류하여 하류로 가는데, 병합과 소멸로 인해 와류 밀도는 감소된다. 와류 재구성 프로세스(각각의 와류의 "골격" 판을 생성함)의 정확성을 평가하기 위하여, 초기 등밀도면 포락선의 와류의 재구성 메쉬까지의 평균 거리에 기초하여 오류가 계산된다. 그런 다음 평균 거리가 개별 골격의 등가 반경에 의해 정규화된다. 도 12는 계산 결과들을 도시하는데, 각각의 와류는 오류의 크기에 상응하는 반경을 갖는 구체로 표현되어 있다. 이 오류의 수치값은 일반적으로 1.0 아래에 있고, 비록 3.0에 이르는 최고값이 관찰되지만, 이 오류 레벨들은 재구성 프로세스에 대해 용인될 수 있는 정확도를 지시한다. 최고값은 실제로 프로세스의 제1 단계에 의해 개별적으로 포착되지 않는 복잡하게 뒤얽힌 구조체들에 상응한다. 단 한 개의 등밀도면이 동시에 몇 개의 혼합된 와류들을 나타내면, FINSIM은 그것을 하나로 취급하여 단일 튜브를 복잡한 와류들의 시스템에 끼워 맞추려고 시도한다.

모든 프레임들에 대해 얻어진 와류 튜브 정보에 의해 유동 내의 난류에 대한 통계를 작성할 수 있게 되었다. 도 13은 (x,y) 평면에 투영된 와류들의 분포를 나타낸다. 각각의 프레임으로부터의 각각의 와류 위치는 제트 축선을 중심으로 하는 100셀x100셀 그리드 상에 직교하게 투영되고, 3D의 전체 폭을 나타낸다. 투영이 각각의 개별 그리드 셀 내부에 있게 되는 와류들의 부분은 그 셀의 색상에 의해 표현된다. 작성된 와류 분포는 기대대로 축선 대칭이라는 것과 전단층에 있는 와류들이 잠재적인 코어의 경계에 강력하게 집중된다는 것을 나타내고 있다. 각각의 와류의 길이 역시 재구성 프로세스에서 계산되고, 와류 길이를 0 내지 0.02m 범위의 100개의 값들로 그리고 유동방향 위치를 0와 15D 사이의 100개의 값들로 분할하는 것에 의해 구성된 도 14에 x축선을 따르는 와류 길이의 분포가 도시되어 있다. 도 14에 표현된 분포는 x=3D 전에는 난류가 조금 있고 0.006m 미만의 길이를 갖는 와류들은 없다는 것을 나타내고 있다. 와류들의 밀도는 3D(잠재적인 코어의 단부)와 10D 사이에서 가장 높다. 와류 길이는 대류하여 하류로 갈수록 증가한다.

와류 추적 단계 후에, 와류의 지오메트리 특성들의 시간에 따른 변화가 계산된다. 예를 들어, 도 15의 스냅샷 이미지에 도시된 바와 같이, 와류들의 대류 속도가 계산된다. 도 15에 30 내지 130m/s의 대류 속도 별로 채색된 재구성 센터라인들이 도시되어 있다. 여기서, 대류 속도가 제트 전단층의 외부층에서는 거의 영이고 잠재적인 코어 경계들 근처에서 최고인 것을 알 수 있다. 유동 방향을 따르는 대류 속도의 분포 역시 계산된다. 도 16은 x축선을 따르는 평균 대류 속도의 예시 그래프를 도시한다. 도 16은 대류 속도가 초기에 증가하고 나서 0.3m에서 시작하는 잠재적인 코어의 단부로부터 하류로 이동하면서 천천히 하강하는 것을 나타낸다. 대류 속도에 대해, 99% 신뢰 구간은 평균값과 비교하여 비교적 작은 약 5%이다. 와류들의 팽창 역시 프레임마다 센터라인들의 길이 변화에 기초하여 계산된다. 이산 와류들의 스냅샷(예컨대, 0 내지 1000%/s까지 팽창 별로 채색된 재구성 센터라인)이 도 17에 도시되어 있고, 제트 축선을 따르는 팽창의 분포가 도 18에 도시되어 있다. 팽창의 분포는 전단층이 잠재적인 코어의 외부 경계에 와류들을 발생시키기 시작하는 프레임당 3.5%의 최고값을 나타낸다. 그러면, 팽창은 프레임당 0.7%로 일정하다. 와류들이 제트의 하류로 이동함에 따라 계속 길이가 증가하는 것을 볼 수 있는데, 이는 거의 와류 코어들의 소멸의 3차원 효과들로 인한 것이다.

마지막으로, 와류 시스템 검출 방법은 동방향 회전하는 와류 쌍들에 대한 정보를 제공한다. 각각의 시간 프레임에서, CRV에 의해 방출된 사운드의 주파수는 그 회전 속도로부터 계산된다. 소음원의 분포에 상응하는, 주파수에 종속적인 CRV 공간 분포를 연구하기 위해, 0 내지 5kHz의 주파수 대역에 대해 유동의 모든 곳에서 주파수가 미리 정해진 200Hz 대역 내에 있는 CRV의 수가 계산된다. 이 수는 그리드 셀의 단위 체적에 의해 정규화된다. 얻어진 스칼라(scalar)는 소음원 밀도이다. 그 결과가 주파수 대역 200-400Hz (a), 800-1000Hz (b), 2000-2200kHz (c) 및 3000-3300Hz (d)에 대한 소음원들의 밀도를 나타내는 도 19에 제시되어 있다. 최고 밀도는 800-1000Hz 대역 범위에 대한 셀에서 얻어진다. 이는, x=0.2m에서 제트로부터 90°에 위치된 프로브에서의 1/3번째 옥타브 SPL에 대한 시뮬레이션 결과를 나타내는 도 20에 도시된 바와 같이, 최고의 원거리장 SPL이 얻어지는 대역에 상응한다. 와류쌍들의 존재는 낮은 주파수대(<200Hz)에 대해서는 0에 가깝고, 높은 주파수 대역의 와류쌍들의 수는 800-1000Hz에서보다 적다. 결국, CRV 소음원들은 수직 회오리들(및 이에 따른 난류)이 전단층에 형성되는 잠재적인 코어 근처에 집중되어 있다.

FINSIM 적용

유동에 의한 소음원들을 확인하는 본 접근법의 능력을 예시하기 위해, 이 접근법을 소음 발생에서 차이를 보이는 두 개의 서로 다른 사례들에 적용하였다. 첫 번째 예는 두 개의 제트 노즐 디자인들, SMC000(앞의 항목에서 제시된 둥근 노즐)과 SMC006(세브론형 노즐(chevron type nozzle))의 비교이며, 이들이 지오메트리들이 도 21a와 도 21b에 각각 도시되어 있다. 두 번째 예는 서로 다른 레벨들의 방사 음향을 발생시키는 것으로 알려진 완전히 세부 장식된 생산 자동차(fully detailed production car)를 위한 두 개의 서로 다른 사이드 미러 디자인들의 비교이다.

A. 제트 노즐의 지오메트리 비교: SMC000 대 SMC006

FINSIM을 이용한 SMC000 시뮬레이션 및 분석이 항목 IV에 기재되어 있다. SMC006 시뮬레이션은 노즐의 지오메트리의 변경을 제외하면 동일하다. FINSIM은 두 사례 모두에 적용되고, 도 22a와 도 22b에 제시된 와류들의 공간 분포는 흥미로운 차이점들을 나타내고 있다. 세브론이 잠재적인 코어를 파괴시키기 쉽기 때문에 SMC006 와류 분포(도 22a)가 더 국부화되어 있다. SMC000 사례에서는, 와류들이 전부 제트를 따라, 하류에 그리고 잠재적인 코어 둘레에 위치되어 있다. 그러나, SMC006 사례에서는, 와류들이 주로 SMC000과 비교하여 유동 방향으로 거리의 대략 절반만 연장하는 잠재적인 코어의 단부에 위치되어 있다. 또한 잠재적인 코어는 SMC006이 더 넓고, 와류들은 SMC000과 비교하여 반경 방향으로 더 멀리 분포되어 있다.

더 하류 쪽에서는, 와류들의 집단에 의해 지시되는 바와 같이, 난류가 SMC0076에 대해서 신속하게 소멸된다. 와류 분포의 차이를 감안하면, SMC006의 소음원 위치들이 더 국부화되어 있고 특정 주파수 대역에서 더 집중적(intense)일 가능성이 있다는 것으로 예측할 수 있다.

도 23은 각기 다른 대역폭들에서 도 21a와 도 21b의 노즐 디자인들에 대해 시뮬레이션된 소음원들의 분포를 나타낸다. 도 23에서, 소음원들의 분포(앞서와 마찬가지로 CRV 밀도에 의해 표현됨)가 SMC000 및 SMC006에 대해 제시되어 있다. 두 개의 디자인들을 비교하기 위하여, 각각의 대역폭에서의 분포가 두 사례들 전부를 고려하여 최대 CRV 밀도값에 의해 정규화된다. 이 도표들은, 낮은 주파수들에서, SMC006의 경우에 CRV 소음원들의 양이 더 많고 노즐의 출구 가까이에 국부화되어 있는 것을 나타낸다. 제트 내에서 노즐 세브론들이 관통하면 난류가 유발되고, 잠재적인 코어 길이가 감소되며, 관측되는 소음원들이 발생된다. 와류 분포들과 유사하게, SMC000 디자인의 경우에 CRV 소음원들의 양이 비교적 적고 플룸(plume)을 따라 더욱 균일하게 분포되어 있다. 1200Hz까지는, 가장 높은 소음원 농도들은 SMC006에 속한다. 그러나, 더 높은 주파수들에서는, 그 추세가 반전되어 SMC000이 더 높은 소음원 농도들을 가지지만 이들은 여전히 풀럼에 균일하게 분포된다. 반면, SMC006 소음원들은 주파수가 증가함에 따라 그 수가 감소됨에도 불구하고 여전히 더 국부화되어 있다. 도 24에 소음원들의 총 수가 주파수 별로 도시되어 있고, 이를 보면 이들 두 개의 노즐 디자인들에 대한 소음원들의 주파수 분포의 차이가 명확하게 나타나는데, SMC006 소음원들이 SMC000과 비교하여 낮은 주파수들에 더 집중되어 있고 높은 주파수들에서는 감소되어 있다.

현재로서는, 발생된 방사 음향 파워의 비교가 제공되지 않는데, 비교를 위해서는 소음원들의 세기와 파워의 계산이 요구되기 때문이다. 지금까지 와류들의 강도에 대해 어떤 설명도 한 적 없다는 점에 유의하자. 지금까지 센터라인들의 계산은 그러한 양들을 얻는 데 충분할 만큼 정확하지 않았다. 센터라인 알고리즘과 회전 검출의 새로운 개발이 이 문제를 극복하여 CRV 소음원들의 강도를 고려할 수 있고 방사 음향 파워를 예측할 수 있게 할 것이다.

B. 자동차 사이드 미러 디자인 비교

본 접근법은 이제 완전히 세부 장식된 실제 생산 자동차의 두 개의 서로 다른 사이드 미러 디자인들의 공력 소음(wind noise)의 소음원들을 비교하는 데 사용된다. 두 개의 연구 대상 지오메트리들이 도 25a(미러 1) 및 도 25b(미러 2)에 제시되어 있다. 이전의 실험과 시뮬레이션 연구들의 결과를 보면, 미러 1이 사이드 글래스 상에 더 높은 난류 벽 압력 변동을 발생시키지만, 미러 2는 사이드 글래스 상에 더 높은 음향 레벨을 발생시킨다. 이러한 추정의 증거는 부분적으로는, 100Hz를 제외한 모든 주파수들에서 미러 2에 대해 더 높은 레벨을 나타내는 도 26에 도시된 바와 같이, 0k 법을 이용하여 계산된 사이드 글래스 상의 음향 벽 압력 부하들로부터 온다. 두 개의 미러 디자인들 전부에 대해, 도 27에 제시된 시뮬레이션된 물리적 시간의 경과에 따른 주파수의 함수로서의 시뮬레이션 체적에 대한 CRV 소음원들의 총 수 및 파워 유동 결과들에 FINSIM이 적용된다. 각각의 주파수에서, 소음원들의 수는 미러 1의 경우가 더 많다. 와류 크기와 강도 및 그에 따른 CRV 강도, 그 결과 발생되는 CRV 당 음향 파워가 두 개의 사례들이 비슷하다고 가정하면, 소음원들의 총 수는 전체 음향 파워에 잘 상응할 것이고, 이에 따라 FINSIM에 의해 예측되는 추세는 미러 2가 더 높은 음향 레벨들을 발생시킨다는 예상 결과 및 그 결과들을 제공한다.

소음원들의 분포는 제트의 예와 동일한 방식으로 계산되고 도 30에 제시되어 있다. 줌아웃(zoomed out)된 시점에서는 전체 소음원 분포가 두 개의 디자인들 간에 매우 유사하게 보인다. 높은 주파수에서, 두 개의 디자인들 전부에서 A필라 근처에 더 많은 소음원들이 존재하며, 이는 A필라 와류의 알려져 있는 거동과 잘 일치한다. 줌인된 시점에서는, 미러 2의 추가적인 소음원들의 주된 위치들이 미러 하우징의 후면 둘레 근처에 있는 것으로 보인다. 도 31과 도 32에서, 수평면 상에서의 사이드 미러들 근처의 속도 크기(velocity magnitude)는 미러 1과 비교하여 미러 2의 하류에서 더 강한 재순환을 나타낸다. 높은 속도 크기에 상응하는 미러 2의 팁의 하류에 있는 영역은 미러 1과 비교하여 더 먼 거리를 연장한다. 유동이 미러 1로부터 더 일찍 분리되므로, 결과적으로 재순환이 일어나는 미러의 팁에서 유동은 더 느리다. 운동 에너지가 작기 때문에 발생되는 음향 에너지 역시 작다(더 높은 운동 에너지가 미러의 팁에 더 강한 난류 구조체들(더 소란스러움)을 유발함). 더 강한 난류 전단층은 강력한 와류쌍 상호작용들의 더 높은 밀도와 연관되어, 미러 2에 대해 더 높은 밀도의 소음 발생 CRV 시스템들을 유도하고 이에 따라 도 26에서 관측되는 바와 같이 더 강력한 소음 발생을 유도한다.

C. 추가적인 자동차 사이드 미러 디자인 비교

이하의 사례는 두 개의 유사한 디자인들 간의 소음 발생 차이를 정확히 찾아내는 FINSIM의 능력을 예시한다. 베이스라인 미러가 실제 자동차의 지오메트리에 상응하고, 후연부 연장 미러(TEE mirror)는 베이스라인에 단차(도 33b의 회색 체적부)를 부가하는 것에 의해 베이스라인 미러로부터 구성된다. 미러의 지오메트리들이 매우 유사하기 때문에, 전방 유동은 지오메트리의 변형에 의해 변경되지 않을 것으로 예상된다. 창문 상에서는 유동이 변경되지 않기 때문에, 차이는, 미러 후류에서 발생될 가능성이 있는, 유동의 음향 기여로 인한 것이다. 여기서, 미러의 후류에서 FINSIM 분석이 수행된다. CRV의 총 수의 차이가 도 34에서 관측된다. 차이는 주파수의 전체 범위에 걸쳐 약 25%(~2dB)로 일정하다. FINSIM은 음향 발생의 차이를 검출했다. 이 차이는 또한 x를 따르는 소음원들의 분포가 TEE 디자인을 위한 두 개의 주파수 범위들 전부, 특히 전방 가장자리 바로 하류에서 더 높은 도 35에서도 관측된다.

결론적으로, TEE 디자인은 베이스라인 지오메트리에 부가된 단차로 인해 더 많은 소음을 발생시킨다. 이는 도 36에 소음원 밀도가 TEEE 디자인의 경우에 대해 이 부가된 체적부 가까이에서 가장 높은 것으로 예시되어 있다. 그러나 소음원 밀도 레벨들은 베이스라인 디자인의 경우가 더 낮다.

C. HVAC 덕트 디자인 비교

다음의 사례는 소음원들(CRV들이라고도 함)의 위치를 정확히 파악하기 위하여 FINSIM을 HVAC에 적용하는 것을 예시한다. 실제 덕트_송풍구 지오메트리(도 37) 및 이 베이스라인으로부터 유도된 새 디자인이 FINSIM을 이용하여 비교되었다. 새 디자인은 난류 영역들에서의 변동들을 감소시키기 위하여 덕트들의 지오메트리를 변형하는 것에 의해 얻어진다. SPL 레벨들에서 주목할만한 차이 및 결과적으로 내부 소음의 감소가 관측된다. 변형례들이 도 38과 도 39에 제시되어 있다.

FINSIM은 도 40에 도시되어 있는 것처럼 소음원들의 위치와 양의 차이를 성공적으로 포착한다. CRV의 총 수는 3 내지 4배 만큼 모든 주파수들에서 새 디자인과 다르다. 새 디자인은 베이스라인보다 더 조용하다. 또한, 도 41과 도 42에 도시도니 CRV 밀도 맵들은 소음 감소에 있어서의 지오메트리 변형의 효과를 예시한다. FINSIM은 베이스라인에 대해 소음원들의 위치를 정확히 찾아내지만, 또한 미래의 디자인 개선 우선순위를 위해 이들을 중요도 별로 정렬할 수 있다. 도 39c에 도시된 송풍구에 가까운 영역은 덕트들에서 많은 수의 CRV의 거의 주된 원인이 되는 영역이다.

와류들 및 동방향 회전하는 와류쌍들의 움직임을 추적하는 것에 의해, 유동에 의한 소음원 확인 방법(FINSIM)은 와류 동적 정보와 발생되는 사중격자형 소음 방사 간의 명확한 링크를 만든다. 와류쌍들의 시간적인 그리고 공간적인 전개를 분석하는 것에 의해, 소음원들의 위치, 주파수, 방향성 및 세기가 회수된다. 일반적인 2D 고립형 동방향 회전 와류들(CRV) 문제와 강제 2D 전단층 유동 사례의 시뮬레이션 및 분석은 기본 개념의 실행가능성을 입증한다. 소음원들은 그 위치가 올바르게 파악된 것으로 나타나고, 소음원들의 강도의 시간에 따른 전개는 유동에 의한 소음의 발생을 합리적으로 예측할 수 있게 한다. 전단층 유동 결과는 또한 평균 유동에 의한 소음원들의 대류를 포착하는 능력을 보여준다. 본 발명의 방법의 삼차원 유동들에의 확장은 우선 난류성 제트 구조에 적용된다. 3D 와류 검출 및 추적 방법은 CRV 확인을 가능하게 하고 와류 밀도 및 소음원들의 통계적인 분포(현재는 CRV 밀도에 의해 표현됨)에 대한 합리적인 결과들을 제시하는 것으로 보인다. FINSIM의 디자인 비교를 위한 적용은 두 개의 서로 다른 지오메트리들을 갖는 제트에 대해, 그리고 두 개의 서로 다른 사이드 미러들을 갖는 자동차에 대해 시행되었다. 두 연구들 전부, 예상되는 전반적인 소음원 이동 경향이 올바르게 포착되었다. 사이드 미러 비교에서, FINSIM은 주된 유동에 의한 소음원들의 구체적인 위치들을 성공적으로 제공함으로써, 한 미러가 다른 미러보다 음향학적으로 더 우수한 이유에 대해 명확히 이해할 수 있게 한다.

Claims

물리적 구성으로부터 발생되는 유체 유동에 의한 소음원을 확인하기 위한, 컴퓨터에 의해 실시되는, 방법으로,
삼차원 시뮬레이션 공간 내의, 유체 유동에 영향을 미치는 물체로서의 물리적 구성의 모델링 정보를, 컴퓨터로, 수신하는 단계;
시뮬레이션 공간에서의 유체 유동 움직임을, 컴퓨터로, 시뮬레이션하는 단계로, 유체 유동 움직임이 시뮬레이션 공간 내에서의 그리고 시뮬레이션 공간 내의 물체 주변에서의 요소들의 이동을 모델링하는 단계;
제1 시점에, 순간 압력, 와도, Q-기준 및 λ₂기준 중 하나 이상을 포함하는 요소들의 이동의 하나 이상의 특징에 기초하여 시뮬레이션되는 요소들의 이동 중에 와류들 중 제1 동방향 회전 와류쌍을, 컴퓨터로, 확인하는 단계;
제2 시점에, 순간 압력, 와도, Q-기준 및 λ₂기준 중 하나 이상을 포함하는 요소들의 이동의 하나 이상의 특징에 기초하여 시뮬레이션되는 요소들의 이동 중의 와류들 중 제2 동방향 회전 와류쌍을, 컴퓨터로, 확인하는 단계;
제1 시점에서의 제1 동방향 회전 와류쌍과 제2 시점에서의 제2 동방향 회전 와류쌍을 비교하는 것에 의해 와류들의 변화를, 컴퓨터로, 추적하는 단계로, 상기 추적이 제1 동방향 회전 와류쌍 내의 제1 와류가 제2 동방향 회전 와류쌍 내의 제2 와류에 상응하는 것을 결정하는 것을 포함하고, 상기 추적이 제1 시점과 제2 시점 사이의 제1 와류쌍 및 제2 와류쌍 내의 각각의 와류의 변위를 확인하는 추적 알고리즘에 의해 제1 동방향 회전 와류쌍의 반경, 순환 및 궤적 정보 중 적어도 하나를 제2 동방향 회전 와류쌍과 비교하는 것을 포함하는, 단계; 및
제1 시점과 제2 시점 사이에 팽창, 변형 또는 가속되고 있는 제1 시점과 제2 시점 사이의 제1 와류쌍 및 제2 와류쌍 내의 와류들의 위치 및 변위에 기초하여 동방향 회전 와류쌍들 중 하나 이상을 확인하는 것에 의해 와류들의 변화들을 추적하는 것에 기초하여, 삼차원 시뮬레이션 공간 내의 와류들에서 적어도 하나의 소음을 발생시키는 변화를, 컴퓨터로, 확인하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유동에 의한 소음원 확인 방법.
제1항에 있어서,
와류들의 변화를 추적하는 단계가, 제1 시점과 제2 시점 사이의 제1 동방향 회전 와류쌍 및 제2 동방향 회전 와류쌍 내의 각각의 와류의 변위를 확인하는 추적 알고리즘을 실행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유동에 의한 소음원 확인 방법.
제1항에 있어서,
제1 동방향 회전 와류쌍 및 제2 동방향 회전 와류쌍을 확인하는 단계가, 순간 압력, 와도, 속도, Q-기준 및 λ₂기준 중 하나 이상에 기초하여 제1 세트의 와류들 및 제2 세트의 와류들을 확인하는 단계들을 포함하는 것을 특징으로 하는 유동에 의한 소음원 확인 방법.
제1항에 있어서,
제1 동방향 회전 와류쌍 및 제2 동방향 회전 와류쌍 각각에 대해,
등가의 사중격자형 소음원을 결정하는 단계;
상응하는 음향 방사를 결정하는 단계; 및
사중격자에 기반한 원거리장 소음을 추정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유동에 의한 소음원 확인 방법.
제1항에 있어서,
상기 한 개 이상의 소음원을 확인하는 단계가, 제1 시점과 제2 시점 사이에 팽창, 가속 또는 변형되고 있는 와류들을 확인하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유동에 의한 소음원 확인 방법.
제1항에 있어서,
상기 시뮬레이션 공간 내의 유체의 움직임을 시뮬레이션하는 단계가,
소정의 모델에 따라 모멘텀 상태가 서로 다른 요소들 간의 상호작용들을 모델링하는 상호작용 작업을 상태 벡터들에 대해 수행하는 단계; 및
상기 모델에 따른 요소들의 상기 시뮬레이션 공간 내의 새 복셀들로의 이동을 반영하도록 상태 벡터들의 제1 이동 작업들을 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유동에 의한 소음원 확인 방법.
제1항에 있어서,
제1 동방향 회전 와류쌍을 확인하는 단계가 제1 세트의 와류 센터라인들을 확인하는 단계를 포함하되, 각각의 센터라인은 제1 동방향 회전 와류쌍 내의 그와 연관된 와류에 상응하고; 그리고
제2 동방향 회전 와류쌍을 확인하는 단계가 제2 세트의 와류 센터라인들을 확인하는 단계를 포함하되, 각각의 센터라인은 제2 동방향 회전 와류쌍 내의 그와 연관된 와류에 상응하는 것을 특징으로 하는 유동에 의한 소음원 확인 방법.
제7항에 있어서,
제1 세트의 와류 센터라인들을 확인하는 단계가,
제1 동방향 회전 와류쌍 내의 와류들과 연관되고 임계치보다 낮은 λ₂값들을 갖는 다수의 독립 등밀도면들(self-contained isosurfaces)을 확인하는 단계; 및
상기 독립 등밀도면들로부터 센터라인을 결정하기 위해 삼각 측량 계산을 수행하는 단계를 포함하고,
제2 세트의 와류 센터라인들을 확인하는 단계가,
제2 동방향 회전 와류쌍 내의 와류들과 연관되고 임계치보다 낮은 λ₂값들을 갖는 다수의 독립 등밀도면들(self-contained isosurfaces)을 확인하는 단계; 및
상기 독립 등밀도면들로부터 센터라인을 결정하기 위해 삼각 측량 계산을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유동에 의한 소음원 확인 방법.
제1항에 있어서,
와류들의 변화를 추적하는 단계가, 와류들의 위치와 이동을 추적하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유동에 의한 소음원 확인 방법.
제1항에 있어서,
상기 확인된 한 개 이상의 소음원에 의해 발생되는 사운드를 예측하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유동에 의한 소음원 확인 방법.
제10항에 있어서,
상기 확인된 한 개 이상의 소음원에 의해 발생되는 사운드를 예측하는 단계가, 사운드의 주파수, 진폭(amplitude), 세기(intensity), 파워(power) 및 위치를 예측하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유동에 의한 소음원 확인 방법.
제11항에 있어서,
상기 확인된 한 개 이상의 소음원에 의해 발생되는 사운드를 예측하는 단계가, 사운드의 방향성을 예측하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유동에 의한 소음원 확인 방법.
제10항에 있어서,
상기 예측된 사운드를 주파수에 기초하여 필터링하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유동에 의한 소음원 확인 방법.
제10항에 있어서,
상기 예측된 사운드를 방향성에 기초하여 필터링하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유동에 의한 소음원 확인 방법.
제10항에 있어서,
상기 확인된 한 개 이상의 소음원으로부터 예측된 사운드의 밀도 맵을 생성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유동에 의한 소음원 확인 방법.
제10항에 있어서,
상기 확인된 한 개 이상의 소음원으로부터 예측된 사운드의 방사 음향 파워 맵을 생성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유동에 의한 소음원 확인 방법.
제1항에 있어서,
상기 확인된 한 개 이상의 소음원과 상기 시뮬레이션 공간 내의 유체의 움직임에 적어도 부분적으로 기초하여, 소음원들을 발생시키는 한 개 이상의 표면 구역을 확인하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유동에 의한 소음원 확인 방법.
컴퓨터에 의해 실시되는 소음원 확인 방법으로,
삼차원 시뮬레이션 공간 내의 물체로서의 물리적 구성의 모델링 정보를, 컴퓨터로, 수신하는 단계;
유동 데이터를 생성하도록 시뮬레이션 공간에서의 유체 움직임을, 컴퓨터로, 시뮬레이션하는 단계로, 시뮬레이션 공간 내의 유체 움직임이 시뮬레이션 공간 내에서의 그리고 시뮬레이션 공간의 물체 주변에서의 요소들의 이동을 모델링하도록 시뮬레이션되는 단계;
시뮬레이션되는 요소들의 이동 중의 제1 시점에 와류들의 제1 동방향 회전 와류쌍을 그리고 제2 시점에 와류들의 제2 동방향 회전 와류쌍을, 컴퓨터로, 확인하되, 제1 동방향 회전 와류쌍 및 제2 동방향 회전 와류쌍이 순간 압력, 와도, Q-기준 및 λ₂기준 중 하나 이상을 포함하는 요소들의 이동의 하나 이상의 특징에 기초하여 확인되는 단계;
제1 시점과 제2 시점 사이의 제1 와류쌍 및 제2 와류쌍 내의 각각의 와류의 변위를 확인하는 추적 알고리즘에 의해 제1 동방향 회전 와류쌍의 반경, 순환 및 궤적 정보 중 적어도 하나를 제2 동방향 회전 와류쌍의 정보와 비교하는 것에 기초하여, 확인된 제1 동방향 회전 와류쌍이 확인된 제2 동방향 회전 와류쌍인 것을, 컴퓨터로, 결정하는 단계;
삼차원 시뮬레이션 공간 내의 동방향 회전 와류들에서 적어도 하나의 소음을 발생시키는 변화를 결정하는 것에 기초하여, 컴퓨터로, 확인하는 단계;
제1 시점과 제2 시점 사이에 팽창, 변형 또는 가속되고 있는 제1 시점과 제2 시점 사이의 제1 와류쌍 및 제2 와류쌍 내의 와류들의 위치 및 변위에 기초하여 동방향 회전 와류쌍들 중 한 개 이상을 확인하는 것에 의해 와류들에서 소음을 발생시키는 변화들에 기초하여 한 개 이상의 소음원을, 컴퓨터로, 확인하는 단계; 및
상기 확인된 한 개 이상의 소음원과 발생된 상기 유동 데이터에 적어도 부분적으로 기초하여, 소음원들을 발생시키는 한 개 이상의 표면 구역을, 컴퓨터로, 확인하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 소음원 확인 방법.
제18항에 있어서,
상기 확인된 한 개 이상의 구역에 기초하여 지오메트리(geometry) 최적화 처리를 수행하여 변형된 표면 지오메트리를 생성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 소음원 확인 방법.
제18항에 있어서,
상기 한 개 이상의 소음원을 확인하는 단계가,
유체 유동 시뮬레이션의 제1 시점에서, 유체 유동에 의해 모델링된 천이 유동 내의 제1 동방향 외전 와류쌍을 확인하는 단계;
상기 제1 시점에 이어지는 유체 유동 시뮬레이션의 제2 시점에서, 상기 천이 유동 내의 제2 동방향 외전 와류쌍을 확인하는 단계;
제1 동방향 외전 와류쌍과 제2 동방향 외전 와류쌍을 비교하는 것에 의해 와류들의 변화들을 추적하는 단계; 및
상기 추적에 기초하여 한 개 이상의 소음원을 확인하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 소음원 확인 방법.
제18항에 있어서,
와류들의 변화들을 추적하는 단계가, 제1 시점과 제2 시점 사이의 제1 세트의 와류들 및 제2 세트의 와류들 내의 각각의 와류의 변위를 확인하는 추적 알고리즘을 실행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 소음원 확인 방법.
제18항에 있어서,
제1 세트의 와류들 및 제2 세트의 와류들을 확인하는 단계들이, 순간 압력, 와도, Q-기준, 속도, 및 λ₂기준 중 하나 이상에 기초하여 제1 세트의 와류들 및 제2 세트의 와류들을 확인하는 단계들을 포함하는 것을 특징으로 하는 소음원 확인 방법.
제18항에 있어서,
상기 한 개 이상의 소음원을 확인하는 단계가, 제1 시점과 제2 시점 사이의 제1 세트의 와류들 및 제2 세트의 와류들 내의 와류들의 위치와 변위에 기초하여 동방향 회전 와류쌍들을 확인하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 소음원 확인 방법.
제18항에 있어서,
상기 한 개 이상의 소음원을 확인하는 단계가, 제1 시점과 제2 시점 사이에 팽창, 변형 또는 가속되고 있는 와류들을 확인하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 소음원 확인 방법.
제18항에 있어서,
상기 확인된 한 개 이상의 소음원에 의해 발생되는 사운드를 예측하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 소음원 확인 방법.
물리적 유체 유동 내에서 물리적 구성으로부터 발생되는 유체 유동에 의한 소음원을 확인하기 위한 물리적 유체 유동을 시뮬레이션하는 컴퓨터 시스템으로,
프로세서 및 메모리를 포함하고,
상기 프로세서 및 메모리가
시뮬레이션 공간 내의 물리적 구성을 나타내는 물체에 대한 유체 유동의 움직임을 시뮬레이션하되, 시뮬레이션 공간 내의 유체 움직임이 시뮬레이션 공간 내에서의 그리고 시뮬레이션 공간 내의 물체 주변에서의 요소들의 이동을 모델링하도록 시뮬레이션되도록 시뮬레이션하고;
유체 유동 시뮬레이션의 제1 시점에, 순간 압력, 와도, Q-기준 및 λ₂기준 중 하나 이상을 포함하는 요소들의 이동의 하나 이상의 특징에 기초하여, 유체 유동에 의해 모델링되는 천이 유동 내의 제1 동방향 회전 와류쌍을 확인하고;
상기 제1 시점에 이어지는 유체 유동 시뮬레이션의 제2 시점에, 순간 압력, 와도, Q-기준 및 λ₂기준 중 하나 이상을 포함하는 요소들의 이동의 하나 이상의 특징에 기초하여, 유체 유동에 의해 모델링되는 천이 유동 내의 제2 동방향 회전 와류쌍을 확인하고;
제1 시점에서의 제1 동방향 회전 와류쌍과 제2 시점에서의 제2 동방향 회전 와류쌍을 비교하는 것에 의해 와류들의 변화를, 컴퓨터로, 추적하되, 상기 추적이 제1 동방향 회전 와류쌍 내의 제1 와류가 제2 동방향 회전 와류쌍 내의 제2 와류에 상응하는 것을 결정하는 것을 포함하고, 상기 추적이 제1 시점과 제2 시점 사이의 제1 와류쌍 및 제2 와류쌍 내의 각각의 와류의 변위를 확인하는 추적 알고리즘에 의해 제1 동방향 회전 와류쌍의 반경, 순환 및 궤적 정보 중 적어도 하나를 제2 동방향 회전 와류쌍과 비교하는 것을 포함하고;
제1 시점과 제2 시점 사이에 팽창, 변형 또는 가속되고 있는 제1 시점과 제2 시점 사이의 제1 세트의 와류들 및 제2 세트의 와류들 내의 와류들의 위치 및 변위에 기초하여 동방향 회전 와류쌍들 중 한 개 이상을 확인하는 것에 의해 와류들의 변화를 추적하는 것에 기초하여 한 개 이상의 소음원을 확인하도록 구성된 것을 특징으로 하는 컴퓨터 시스템.
제26항에 있어서,
상기 시뮬레이션 공간 내의 유체의 유동을 시뮬레이션하는 구성이,
소정의 모델에 따라 모멘텀 상태가 서로 다른 요소들 간의 상호작용들을 모델링하는 상호작용 작업을 상태 벡터들에 대해 수행하고; 그리고
상기 모델에 따른 요소들의 상기 시뮬레이션 공간 내의 새 복셀들로의 이동을 반영하도록 상태 벡터들의 세트의 제1 이동 작업들을 수행하는
구성을 포함하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 시스템.
제26항에 있어서,
제1 동방향 와류쌍을 확인하는 구성이 제1 세트의 와류 센터라인들을 확인하는 구성을 포함하되, 각각의 센터라인은 제1 동방향 와류쌍 내의 그와 연관된 와류에 상응하고; 그리고
제2 동방향 와류쌍을 확인하는 구성이 제2 세트의 와류 센터라인들을 확인하는 구성을 포함하되, 각각의 센터라인은 제2 동방향 와류쌍 내의 그와 연관된 와류에 상응하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 시스템.
제26항에 있어서,
상기 프로세서와 메모리가, 상기 확인된 한 개 이상의 잠재적인 사운드 발생 와류 구조체에 의해 발생되는 사운드를 예측하도록 추가로 구성된 것을 특징으로 하는 컴퓨터 시스템.
제26항에 있어서,
상기 프로세서와 메모리가, 상기 확인된 한 개 이상의 소음원과 상기 시뮬레이션 공간 내의 유체의 움직임에 적어도 부분적으로 기초하여, 소음원들을 발생시키는 한 개 이상의 표면 구역을 확인하도록 추가로 구성된 것을 특징으로 하는 컴퓨터 시스템.
실행 시에 층류로부터 난류로의 경계층 천이를 포함하는 물리적 과정의 유체 유동을 시뮬레이션하는 명령들을 포함하는 비일시성 컴퓨터 판독 가능 매체로,
명령들이 컴퓨터로 하여금,
삼차원 시뮬레이션 공간 내의 물체로서의 물리적 구성을 모델링하는 모델링 정보를 수신하고;
유동 데이터를 생성하도록 시뮬레이션 공간에서의 유체 움직임을 시뮬레이션하되, 시뮬레이션 공간에서의 유체 움직임이 시뮬레이션 공간 내에서의 그리고 시뮬레이션 공간 내의 물체 주변에서의 요소들의 이동을 모델링하고;
유체 유동 시뮬레이션의 제1 시점에, 순간 압력, 와도, Q-기준 및 λ₂기준 중 하나 이상을 포함하는 요소들의 이동의 하나 이상의 특징에 기초하여, 유체 유동에 의해 모델링되는 천이 유동 내의 제1 동방향 회전 와류쌍을 확인하고;
상기 제1 시점에 이어지는 유체 유동 시뮬레이션의 제2 시점에, 순간 압력, 와도, Q-기준 및 λ₂기준 중 하나 이상을 포함하는 요소들의 이동의 하나 이상의 특징에 기초하여, 유체 유동에 의해 모델링되는 천이 유동 내의 제2 동방향 회전 와류쌍을 확인하고;
제1 시점에서의 제1 동방향 회전 와류쌍과 제2 시점에서의 제2 동방향 회전 와류쌍을 비교하는 것에 의해 와류들의 변화를, 컴퓨터로, 추적하되, 상기 추적이 제1 동방향 회전 와류쌍 내의 제1 와류가 제2 동방향 회전 와류쌍 내의 제2 와류에 상응하는 것을 결정하는 것을 포함하고, 상기 추적이 제1 시점과 제2 시점 사이의 제1 와류쌍 및 제2 와류쌍 내의 각각의 와류의 변위를 확인하는 추적 알고리즘에 의해 제1 동방향 회전 와류쌍의 반경, 순환 및 궤적 정보 중 적어도 하나를 제2 동방향 회전 와류쌍과 비교하는 것을 포함하고;
제1 시점과 제2 시점 사이에 팽창, 변형 또는 가속되고 있는 제1 시점과 제2 시점 사이의 제1 세트의 와류들 및 제2 세트의 와류들 내의 와류들의 위치 및 변위에 기초하여 동방향 회전 와류쌍들 중 한 개 이상을 확인하는 것에 의해 와류들의 변화를 추적하는 것에 기초하여 한 개 이상의 소음원을 확인하게 하도록 구성된 것을 특징으로 하는 컴퓨터 판독 가능 매체.
제1항에 있어서,
복수의 시간들에 걸쳐 와류들의 증분 변화들을, 컴퓨터로, 추적하는 단계;
와류들의 증분 변화들 각각에 대해, 상응하는 증분 변화에 기초하여 한 개 이상의 소음원 값들을 확인하는 단계; 및
복수의 시간에 대해 확인된 한 개 이상의 소음원 값들을 평균하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유동에 의한 소음원 확인 방법.
제1항에 있어서,
한 개 이상의 소음원 각각에 대해 소음원 값을 결정하는 단계;
소음원 값들을 유체 시뮬레이션을 나타내는 그리드 상에 투영하는 단계;
그리드에 블러 기능을 적용하는 단계; 및
그리드를 이용하여 소음원 지도를 생성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유동에 의한 소음원 확인 방법.