Simulering af aeroakustik: En leders guide

Nøglepunkter i artiklen:

• Forstå det grundlæggende inden for aeroakustik og den strategiske vigtighed for aeroakustiks simulering.
• Et overblik af de primære udfordringer som en leder kan blive mødt med, og hvordan du skal løse dem.
• Cost-benefit-analyse af aeroakustiks simulering.
• Praktiske eksempler for brugen af CharLES (aeroakustik simulering)

Aeroakustik handler om den støj/lyd som bliver genereret af luftens bevægelser – især omkring og i objekter. Her prøver man at forstå, hvordan fluid dynamics (som f.eks. luft) producerer lyd, når de interagerer med forskellige overflader. For at kunne træffe beslutninger på et velinformeret grundlag, er det derfor afgørende for dig og din virksomhed at have en forståelse for aeroakustik.

I modsætning til hvad de fleste går og tror, så er aeroakustik ikke noget nyt. Faktisk har det eksisteret siden mennesket begyndte at flyve. Her har udfordringen ikke kun været at få flyvemaskinerne til at bevæge sig i høj nok fart, men også at mindske støjen de genererer i takt med hastigheden stiger.

Kort fortalt – så er aeroakustiks primære mål at forudse, kvantificere og kontrollere støj. Selvom det er dybt forankret i matematik, fysik og beregningsmodeller, er det de praktiske anvendelser, som virkelig sætter tankerne i gang. Aeroakustik har nemlig et bredt spektrum af praktiske anvendelser. Fra at designe mere støjsvage flymotorer (se figur 1 nedenfor) til vindturbiner for optimering af luftgennemstrømning omkring bygninger for at mindske støj.

Den strategiske vigtighed af aeroakustik og hvordan støj kan påvirke din forretning

Støj er ikke kun et spørgsmål om miljømæssige eller auditive overvejelser, det har også en vigtig betydning for det forretningsmæssige. Støj kan påvirke kundetilfredshed, produktets brugbarhed og i sidste ende jeres salg. Tag f.eks. fordelen ved en støjsvag flykabine. Den kan markant forbedre den samlede flyoplevelse og fungere som en konkurrencefordel for kommercielle flyselskaber. Derudover står flyproducenter over for et vedvarende regulativ pres for at minimere støjniveauet omkring lufthavne. Det påvirker deres ruteplanlægningen, tidsplaner og rentabilitet. Og i en verden hvor man i stigende grad fokuserer på bæredygtighed og livskvalitet, får støjforurening mere opmærksomhed fra både forbrugerne og myndighederne. De presser virksomheder til at reducere deres lydmæssige fodaftryk. Hvis I som virksomhed ikke opfylder disse forventninger og krav, kan det direkte påvirke jeres branding, PR og i sidste ende jeres markedspositionering. Ej at forglemme at en manglende overholdelse kan resultere i betydelige bøder og juridiske konsekvenser.

Så man kan argumentere for at aeroakustik ikke kun er en teknisk nødvendighed men ligeledes et strategisk værdisæt. I nutidens marked vil virksomheder som er velbevandrede inden for feltet, være bedre gearet til at takle eventuelle udfordringer og udnytte de muligheder, som udspringer af at arbejde med lyd — eller manglen på samme.

Aeroakustik simulering er en unik niche inden for den omfattende verden af simuleringer og modellering. Ud fra et teknisk aspekt giver denne type simuleringer både muligheder og værktøjer til ingeniørerne/eksperterne, men samtidigt også forretningsmæssige og strategiske fordele, som kan hjælpe med at opfylde målene for jeres virksomhed.

Lad os se nærmere på hvordan.

Forbedring af produktdesign og effektivitet

I dag jagter vi konstant det perfekte produktdesign. Her kan aeroakustiks simulering give betydningsfulde indsigter, som kan have stor indflydelse på jeres designproces. I bilindustrien er en bils isoleringsevne fra eksterne lyde (f.eks. vindstøj) i kørekabinen et vigtigt salgsparameter, som påvirker forbrugernes præferencer. Med aeroakustiks simulering kan bilproducenterne forfine deres designs og den harmoniske balance mellem æstetik, funktionalitet og lydmæssige komfort.

Lev op til branchestandarder og lovforskrifter

Forskrifterne for udledning af støj (især inden for sektorerne for luftfart og vedvarende energi) bliver mere og mere strikse. F.eks. har European Union Aviation Safety Agency fornyeligt introduceret ‘The Environmental Protection Technical Specifications’, som fastlægger certificeringsstandarder for støj for eVTOL (Electric Vertical Take-off and Landing) fly (Se figur 2). Imødekommer man ikke de fastlagte stardarder kan de medføre betydelige bøder, operationelle begrænsninger og tilbagekaldelser af produkter. Ved hjælp af aeroakustiks simulering gør det muligt for virksomheder at forudse og imødekomme de regulative krav, så de sikre at overholde compliance inden deres produkter rammer markedet.

Sikre konkurrencefordele

I dag er det mere afgørende end nogensinde at skille sig ud fra konkurrenterne. Ro er en klar prioritet hos forbrugerne. Uanset om det gælder et støjsvagt fly, mindre støjende vindturbiner eller et støjfri køretøj kan aeroakustiks simulering hjælpe. Vi snakkede om kort værdisæt tidligere. Ved man som virksomhed prioriterer og forpligter sig til støjreduktion, signalerer I jeres engagement i kundepleje og miljømæssige ansvarlighed.

Men fordelene strækker sig længere end de øjblikkelige gevinster, hvor fremtidig parathed og proaktivitet er den største bonus, aeroakustik bringer med sig. Med den stigende globale urbanisering bliver bæredygtighed kun vigtigere, og det samme bliver effektiv støjstyring.

Til opsummering – så handler aeroakustiks simulering ikke kun om decibels og luftstrømninger, det repræsenterer et strategisk aktiv, som kommer til at forme produktudvikling, drive forretningsstrategier og bane vejen til ledende positioner i markedet.

Ledernes primære udfordringer med aeroakustik

Det kommer også med sine udfordringer – også for dig som leder. Udfordringer som går lidt længere end de typiske man støder på ved almindelige projekter. For at løse dem kræver det en nuanceret forståelse, god kommunikation og fleksible strategier.

• At bygge bro mellem teknik og strategi: En af de største problemstillinger er en gnidningsfri symbiose mellem teknisk ekspertise og strategiske mål. Som leder er dit job at sikre de tekniske bestræbelser og ressourcer stemmer overens med projektets primære mål. Det kræver en omfattende forståelse (for både det tekniske og strategiske) og en klar kommunikation.
• Allokering af ressourcer og budget: Balancen mellem behovet for specialiseret ressourcer og et begrænset budget er en svær disciplin. High-end udstyr, software og nichet ekspertise er ofte et krav, når man arbejder med projekter som involverer aeroakustik, men de koster også.
• At holde sig opdateret i forhold til udviklingen: Aeroakustiker er i konstant udvikling, og som leder er du nødt til at sikre, at dit team har adgang til de nyeste værktøjer og viden. Det involverer selvfølgelig også, at du følger med i din branches udvikling.
• Håndtering af forventninger: Interessenter – både interne (den øverste ledelse, investorer osv.) og eksterne (kunder, forbrugere og myndigheder) – har hver deres specifikke forventninger og krav. Det kan være udfordrende at jonglere med dem alle sammen, især hvis de ikke er på bølgelængde med projektets tekniske realiteter.
• Risikohåndtering: Det er vigtigt at forholde sig til de potentielle usikkerheder, som kommer med alt software – også aeroakustiks simulering. Alt fra software glitches til fejlbedømte simuleringsparametre kan der være risici for. Som leder er du nødt til at have den rolige hånd, når du skal vurdere eventuelle risici og implementere mitigerings strategier.
• Fremme effektivt samarbejde: At kunne orkestrere gnidningsfrit samarbejde mellem diverse teams (fra akustikeksperter til softwareingeniører) har stor betydning for et projekts succes. Men det kræver meget struktur og gennemsigtighed, før de teams kan samarbejde effektivt og kommunikere problemfrit.
• Navigere i regulativer og compliance: Her er der ikke plads til kompromiser. Du er nødt til at garantere, at dine aeroakustik-projekter lever op til industristandarderne, regulativer og compliance. Lykkedes du ikke her, kan det blive meget problematisk.

Selvom de her problemstillinger måske virker lidt overvældende, kan man med den rette tilgang og ressourcer omdanne dem til vækstmuligheder og succes.

Vind over de ledelsesmæssige udfordringer

I vores verden er der altid en løsning til et problem. Og vi har et forslag til “the one solution to rule them all” (Ringenes Herre reference) – nemlig Fidelity CharLES. Det er et værktøj som er omkostningseffektivt, hurtigt og præcist.

Fidelity CharLES

Fidelity CharLES skiller sig ud blandt andre CFD solvers pga. dens enestående hastighed og tilgængelighed som er optimeret til både grafik og central processing units, hvilket sikrer den problemfri ydeevne. Dets alsidighed strækker sig til forskellige anvendelser, herunder forbrændingskamre til jetmotorer og køretøjers eksterne aerodynamik.

Forestil dig et værktøj som er finjusteret til de typiske flow conditions i aeroakustiks simulering, udstyret med algoritmer der præcist kan håndtere komplekse scenarier. CharLES excellerer i at løse problemer med høj nøjagtighed og stabilitet takket være avancerede numeriske metoder, der er skræddersyet specifikt til lydanalyse.

Desuden har CharLES et brugervenligt interface, som henvender sig til både erfarne eksperter og nybegyndere. Det intuitive design giver en nem og behagelig arbejdsgang – lige fra opsætning til udførelse. Det er især gavnligt for brugere, der udforsker CFD uden omfattende baggrundsviden. Derudover tilbyder CharLES en høj grad af tilpasningsevne, der giver dig mulighed for at tilpasse simuleringerne til dine specifikke krav.

Kort fortalt – så skiller CharLES sig ud fra alternativer pga. dets evne til at forudse og håndtere CFD-mæssige forhindringer præcist, hurtigt og økonomisk. Det inkluderer aeroakustiks-støj, turbulent mixing, flow separation, transition, turbulent shear stress, heat transfers samt forbrænding og emissioner.

Forudseenhed

CharLES solver gør brug af LES-simuleringer (Large-Eddy-Simulations), der giver et højere niveau af præcision og pålidlighed, som sjældent ses i mange kommercielle CFD-værktøjer. Dens LES-model er forankret i grundlæggende fysikprincipper, som giver værktøjet dens stabilitet og nøjagtighed.

Simuleringshastighed

Det er ikke en ny ting at hastighed og time-to-market spiller en afgørende rolle. CharLES’s solvers er designet til omfattende parallelprocessering og skalerbarhed, som maksimerer de beregningsmæssige ressourcer for at levere rettidige resultater. Med dets avancerede load-balancing algoritmer fordeler CharLES intelligent den beregningsmæssige belastning på tværs af processorer, hvilket minimerer ventetid og maksimerer effektiviteten.

Desuden optimerer CharLES hukommelsesforbruget for at eliminere overdreven hukommelsesallokering, hvilket er afgørende for større simuleringer, hvor computerhukommelse kan være en flaskehals. Dets fleksible arkitektur sikrer skalerbarhed på tværs af platforme og operative systemer, hvad enten det er på en lokal arbejdsstation, et high-performance computing cluster eller en cloud-baseret infrastruktur. CharLES realtidsmonitorering giver dig indsigt i den beregningsmæssige ydeevne, hvilket giver jer mulighed for at optimere effektiviteten under langvarige simulationer.

Omkostningseffektivitet

Mens CharLES’s løsninger historisk set har været optimeret til CPU-baserede clusters, udmærker de sig også i accelererede node architectures, der dominerer top-tier supercomputing-platforme. Ved at udnytte GPU-arkitekturer reducerer CharLES markant beregningstiden sammenlignet med traditionelle CPU-setups. Denne effektivitet oversættes til potentielle omkostnings- og energibesparelser, hvilket gør den til en gamechanger for store simuleringer, der kræver en hurtig gennemløbstid.

Tyg lidt på den. 9x throughput for den samme omkostning på CPU’en og 9x lavere omkostninger og 17x lavere energiforbrug for det samme CPU throughput.

Se mere i videoeksemplet for GTC 2023 NVIDIA Keynote.

Cost-benefit-analyse

Det er selvfølgelig vigtigt at forstå de tilknyttede omkostninger og mulige afkast, før man kaster sig ud i strategiske beslutninger, især en der indebærer at adoptere nye teknologier i samme vægtklasse som aeroakustiks simulering.

De indledende omkostninger

Lad os være ærlige, selvfølgelig kommer en integration til at have sine omkostninger. Som nævnt kræver high-fidelity simulation robuste infrastrukturer til dets beregninger, herunder kraftfulde servere og specialiseret software. Derudover er det afgørende at have de rette menneskelige ressourcer – f.eks. eksperter inden for aeroakustik – hvilket kan kræve ansættelse af nyt personale eller uddannelse af eksisterende. Derudover er licensomkostningerne til specialiseret software som f.eks. til aeroakustiks simulering ofte i den tungere ende.

De skjulte besparelser

Men selvom de indledende omkostninger kan virke skræmmende, kan de langsigtede besparelser opveje dem. Nøjagtige simuleringer kan reducere behovet for flere fysiske prototyper, hvilket fører til betydelige besparelser på materialer, arbejdskraft og tid. Fremsynethed ift. støjproblemer vedr. det pågældende produkt kan også forhindre dyre bøder og potentielle retssager. Testning i fuld skala i et lyddødt rum er både besværlig og dyr, men virtuel testning eliminerer behovet for fysiske redesigns.

De langsigtede fordele

Ud over de øjeblikkelige besparelser kan aeroakustiks simulering give immaterielle fordele, der påvirker bundlinjen væsentligt. Etablering af et ry som markedsleder inden for støjhåndtering kan forbedre brandets omdømme og påvirke kundernes købsbeslutninger. Derudover kan produkter i overensstemmelse med globale støjstandarder få adgang til en bredere vifte af markeder uden regulatoriske forhindringer. Derudover kan indsigter fra simuleringer inspirere innovative produktfunktioner eller helt nye produktlinjer og skabe muligheder for ny indtjening.

Opvejning af fordele og ulemper

I sidste ende afhænger beslutningen om at integrere ny teknologi af, om de strategiske og langsigtede fordele opvejer de indledende investeringer. For mange virksomheder (især dem i sektorer) hvor støjhåndtering er en afgørende nødvendighed, er svaret en rungende “ja” til aeroakustiks simulering.

Vi ser at risiciene og de øvrige omkostninger ved produktion og udvikling (generelt) alt for ofte overstiger virksomhedernes smertegrænse. Dertil famler langt de fleste i “blinde” under designfasen, fordi de ikke har mulighed for at forudse og være på forkant med eventuelle problemstillinger. Problemstillinger som i sidste ende kan koste dem tid, penge og ressourcer.

CharLES i action

Aeroakustiks simulering har en betydelig industriel relevans og omfatter alt fra supersoniske flystøj til støj fra en ventilator. Tabel 1 opsummerer flere anvendelser, hvor CharLES har vist sig at være effektiv, herunder VTOL-rotor- og sedanstøjforudsigelser med Honda R&D samt NASAs ventilatorstøjdiagnostiske test (SDT).

Undersøgelse af VTOL rotorstøj med Honda R&D

En gruppe forskere udførte en undersøgelse af flerbladede VTOL-rotorer, der almindeligvis findes i moderne droner og biler, for at vurdere nøjagtigheden og omkostningseffektiviteten af højfrekvent aeroakustiks simulering. De undersøgte forskellige rotorkonfigurationer, der afvekslede fra to til fem blade, og sammenlignede resultaterne med data fra Hondas vindtunneltests.

Analysen afslørede en mærkbar stigning i støjniveauerne med tilføjelsen af rotorblade, hvilket stemmer overens med de eksperimentelle resultater. Derudover blev CharLES anvendt til at simulere et fuldskala eVTOL-fly med otte VTOL-rotorer og et par propelblæsere, hvilket viser softwarens omfattende kapaciteter og effektivitet, især når den kobles med GPU-acceleration.

Forudsigelser for støj hos en bil i fuld størrelse med Honda R&D

Honda R&D analyserede lydprofilen af en Sedan, der kørte med 120 km/t med henblik på at validere sine forudsigelser mod virkelige vindtunneltests. Simuleringerne blev udført med to forskellige grid-opløsninger, hvor den forbedrede version afslørede interessante luftstrømsmønstre, især omkring A-stolpen, som kan påvirke bilens ydeevne og støjemissioner. For at sikre nøjagtigheden blev simuleringernes resultater sammenlignet med faktiske vindtunneldata, hvilket demonstrerede tæt overensstemmelse mellem de to. Derudover fremskyndede brugen af specialiseret grafisk hardware (GPU’er) betydeligt simuleringerne sammenlignet med traditionelle computerprocessorer (CPU’er).

NASA’s Fan Noise Source Diagnostic Test

I samarbejde med NASA udførte CharLES en såkaldt “fan noise Source Diagnostic Test (SDT)” for at vurdere effekten af forskellige OGV (Outlet Guide Vane) designs på ventilatorens aerodynamik og støjniveauer. Den omfattende beregningsopsætning omfattede hele testsektionen, nacellen og hele ventilatorens og OGV’ens annulus, simuleret ved 61,7% af sin normale hastighed. Her blev det opdaget, at det lavstøjende OGV-design reducerede støjniveauerne med cirka 2 dB. En betydelig forbedring hvor simuleringernes resultater står tæt sammen med de eksperimentelle data. På imponerende vis fik CharLES en beundringsværdig nøjagtighed selv med et relativt groft net.

Faktisk leverer CharLES konsekvent en høj nøjagtighed, når der sammenlignes med virkelige eksperimenter. Ved hjælp af GPU-acceleration laver solveren hurtige simuleringer uden at gå på kompromis med detaljerne. Softwaren er tilgængelig via konventionelle kundebaserede-setups og dedikerede cloud-løsninger, hvilket giver løsningen en fleksibilitet til at imødekomme individuelle behov.

Opsummering

Det kræver mere end teknisk ekspertise, når man arbejder med aeroakustik; det kræver strategisk overvågenhed, gode samarbejdsevner og beslutsomhed. Vores guide har til formål at give ledere (som dig selv) en omfattende forståelse af aeroakustik, idet vi lægger vægt på din rolle i at afstemme tekniske finurligheder mod de forretningsmæssige mål.

I guiden var der et gennemgående tema/pointe – nemlig vigtigheden af teamwork. Effektivt samarbejde mellem ledere og ingeniører er afgørende for alle projekters succes.

Aeroakustiske simuleringer er med dets implikationer på tværs af brancher som luftfart og bilindustri designet til at forme fremtiden. Og udstyret med de indsigter, værktøjer og strategier fra den her guide, har du værktøjerne til at gå forrest.