Computational aeroacoustic simulation of human phonation

The thesis aims to discuss both the CFD and the acoustic simulations of the three-dimensional incompressible turbulent flow in human phonation. The modeling approach is based on a one-way hybrid method that first solves the fluid problem with the LES WALE [23] approach and then forces the Perturbed Convective Wave Equation (PCWE) [21] with a sound source term directly computed from the pressure flow field. The CFD simulation is performed in OpenFOAM [24] with the Finite Volume Method (FVM) [27] on a fine grid. Instead, the acoustic simulation is carried out in AeroSPEED [7] with the Spectral Element Method with Discontinuous Galerkin (DG-SEM) on a coarser mesh [6], where a different acoustic model compared to the existing ones is introduced. The approach is tested with favorable results against a benchmark case of the flow around a circular cylinder. Then the more complete simulation of human phonation is addressed. The current study analyzes the larynx and vocal tract geometries of the speech system. Various shapes of the vocal tract are modeled and non-conformally attached to the larynx [17] with a Discontinuous Galerkin (DG) interface [7, 27]. The findings of the thesis are in agreement with the ones proposed in the literature, with some differences that will be discussed through a critical analysis in the following.

La tesi mira a discutere le simulazioni CFD e acustica del flusso tridimensionale, incomprimibile e turbolento della fonazione umana. L’approccio di modellizzazione si basa su un metodo ibrido monodirezionale che intende risolvere inizialmente il problema fluido mediante l’approccio LES WALE [23], forzando successivamente l’Equazione delle Onde Convettiva Perturbata (PCWE) [21] con un termine di sorgente sonora calcolato direttamente dal campo di pressione del flusso. La simulazione CFD è eseguita in OpenFOAM [24] tramite il Metodo dei Volumi Finiti (FVM) [27] su una griglia fine. Invece, la simulazione acustica viene condotta in AeroSPEED [7] con il Metodo degli Elementi Spettrali con Galerkin Discontinuo (DG-SEM) su una griglia meno raffinata [6], e un modello acustico differente rispetto a quelli preesistenti viene introdotto. L’approccio è stato testato con risultati favorevoli rispetto a un caso di riferimento del flusso attorno a un cilindro circolare. Poi viene affrontata la simulazione più completa della fonazione umana. L’attuale studio analizza le geometrie della laringe e del tratto vocale dell’apparato di generazione della voce. Forme differenti del tratto vocale sono state generate e connesse in maniera non conforme alla laringe [17] mediante un’interfaccia di Galerkin Discontinuo (DG) [7, 27]. I risultati della tesi sono in accordo con quelli proposti in letteratura, con alcune differenze che verranno discusse attraverso un’analisi critica nel seguito.