| 14:00 |
-
Ligthill’s aeroacoustic analogy applied to an automotive turbocharger compressor
Clemens Freidhager, Stefan Schoder, Andreas Renz, Martin Heinisch, Manfred Kaltenbacher
[Abstract]
For computing CFD simulations to investigate aeroacoustics of turbocharger compressors, it is of fundamental importance to resolve turbulent structures at the location of their generation. This results in high-resolution grids, existing of more than 20 million cells. Consequently, computing the turbocharger compressor by using a transient, compressible CFD simulation is computationally very demanding. By applying Lighthill’s analogy, it is possible to resolve turbulent structures where they are generated and compute the pressure propagation using an additional, not that demanding, propagation grid. This allows using coarser CFD grids in the inlet and outlet section. For transferring Lighthill’s source terms from the CFD to the propagation grid, advanced interpolation algorithms are used. Furthermore, this methodology allows investigating the influence of the additions connected to the compressor, by interpolating Lighthill’s source terms onto different propagation grids. Also, since the pressure propagation is computed in the frequency domain, it is possible to investigate specific frequency ranges, which gives an additional advantage regarding computation time. The simulation results are validated by measurements of a cold gas test rig.
|
| 14:20 |
-
Aeroacoustic sources in turbulent flow through a pipe with a sharp orifice predicted by Large-Eddy Simulation.
Johannes Tieber, Helfried Steiner, Paul Maurerlehner, Stefan Schoder, Manfred Kaltenbacher, Günter Brenn
[Abstract]
The method of Large-Eddy Simulation (LES) has increasingly gained popularity, as it encompasses the direct resolution of a major part of the vortical motion in a turbulent flow field. The uncertaintyof turbulence modeling is thus limited to the unresolved sub-grid scales (SGS). This makesLES a highly attractive method for predicting flow-induced sound sources for use in Hybrid Computational Aeroacoustics (CAA). The possible sound emission generated by turbulent vortical motion is of growing importance in the design of flow-guiding components. This is especially the case in electric vehicles, where the masking noise of the combustion engine is absent and limited space in the engine compartment of the vehicle may lead to unfavorable flow-conditions.
The present study performs incompressible LES to predict the turbulent flow field downstream of an orifice inside a circular pipe. The computational results are compared against experimental data from dedicated measurements. The predicted instantaneous flow field is used to evaluateaeroacoustic source terms for different acoustic equations, such as Lighthill’s acoustic analogy or the Perturbed Convective Wave Equation (PCWE).The contribution of the unresolved scales, which is supplied by the employed SGS-model to the acoustic sources, is specially investigated.
|
| 14:40 |
-
Numerical Prediction of Sound Emission of Confined Flows based on a Hybrid Approach
Paul Maurerlehner, Stefan Schoder, Johannes Tieber, Helfried Steiner, Günter Brenn, Manfred Kaltenbacher
[Abstract]
The absence of combustion noise in electric vehicles results in a dominance of other sources of sound, such as flow-induced sound in flow guiding components. The use of computational aeroacoustics (CAA) during the design phase is a promising way to fulfill the packaging requirements as well as the ambitious demand for passenger comfort. By coupling the computational fluid domain with the surrounding structural domain via coupling conditions on the interface, not only the sound generation and propagation within the fluid can be computed, but also the vibroacoustic sound emission of the flow-guiding structure can be simulated. We propose such a numerical model based on a hybrid approach for the prediction of the sound emission of the confined flow. Thereby, different aeroacoustic formulations (Lighthill’s acoustic analogy, vortex sound theory, PCWE) are considered and the results are compared against measurements. First, the aeroacoustic source terms are computed by an incompressible Large-Eddy Simulation of the flow (Ma<0,3) based on the finite-volume method. The propagation of the aeroacoustic sources is then simulated by the in-house finite-element solver openCFS, which allows a coupling of the acoustic and the mechanic fields of the confining structure.
|
| 15:00 |
-
An Efficient Framework Towards the Prediction of Trailing Edge Noise
Daniel Kempf, Thomas Kuhn, Claus-Dieter Munz
[Abstract]
Hybrid simulation methods are often used in computational aeroacoustics. Here, the sources for the acoustic wave propagation are extracted from the flow data. Low-fidelity models such as RANS hydrodynamic simulations can reach their limits in terms of accuracy. Better results are obtained by high-fidelity models, such as wall-resolved LES. To close the gap between computational effort and accuracy, one approach is to restrict the LES domain to the region, in which the acoustic source terms have physical relevance. However, this requires a method to generate the inflow turbulence in the LES region. Here, the recently introduced RRALF method is used, which relies on time-averaged flow statistics to generate turbulence. For generic problems, pre-calculated data from a database can be used. But complex flow cases require a different approach. In this talk, an efficient methodology is presented to model the Reynolds stresses based on the distribution of the turbulent kinetic energy, obtained from a two-dimensional RANS simulation. This approach is possible as RANS promises to accurately predict the flow field outside critical regions, such as flow separation. Results of a zonal trailing edge simulation of an airfoil are presented and will be used to derive acoustic sources in a next step.
|
| 15:20 |
-
The influence of periodic structures on sound propagation through heat exchangers
Felix Czwielong, Viktor Hruška, Michal Bednařík, Stefan Becker
[Abstract]
Axialventilatoren werden in ihren Hauptanwendungen saugseitig von anderen Systemkomponenten wie Schutzgittern, Wärmeübertragern, Drosselklappen oder Filtern betrieben. Aufgrund dieser Anordnungen kommt es zu einer Interaktion des saugseitigen Strömungsfeldes der Axialventilatoren mit den stromaufwärts verbauten Komponenten. Diese Wechselwirkungen werden als Installationseffekte bezeichnet. Die Folge dieser ist, dass das Strömungsfeld stromaufwärts gestört wird und somit die Turbulenzeigenschaften verändert werden. Die Änderung der Zuströmturbulenzen induziert eine erhöhte Schallabstrahlung der Ventilatoren im Vergleich zur ungestörten Zuströmung. Aufgrund der hohen Anzahl an verschiedenen Systemkomponenten und der damit verbunden unterschiedlichen Zuströmbedingungen, ist es bisher nicht möglich die Auswirkungen der Installationseffekte im Allgemeinen zu erfassen und im Auslegungsprozess von Axialventilatoren diesen entgegenzuwirken.
Um ein besseres Verständnis für die aerodynamischen und akustischen Wechselwirkungen von Axialventilatoren mit gestörten Zuströmbedingungen zu erhalten, wurde ein aktives Turbulenzgitter entworfen. Mit diesem ist es möglich definierte Zuströmturbulenzen zu generieren und Auswirkung auf die Schallentstehungsmechanismen am Axialventilator zu untersuchen. Bei der Auslegung lag ein leises Eigengeräusch als auch eine möglichst realitätsgetreue Abbildung von Wärmeübertragern im Fokus. Es wurde gezeigt, wie sich die Einstellungsparameter des aktiven Gitters auf das Strömungsfeld und das Eigengeräusch auswirken und wie das aktive Turbulenzgitter zum Verständnis der Schallentstehungsmechanismen an Axialventilatoren beitragen kann.
|
| 15:40 |
-
Direkte Schallquellenlokalisation aus numerischen Oberflächendaten
Richard Ruck, Philipp Dietrich, Marc Schneider, Jan W. Delfs
[Abstract]
Bei der Entwicklung von Ventilatoren nehmen neben aerodynamischen auch akustische Eigenschaften einen immer wichtigeren Stellenwert ein. Zur
Optimierung des emittierten Geräusches werden verstärkt numerische Berechnungsverfahren (CAA) eingesetzt, die sich meist auf spektrale Analysen der
Fernfeldakustik beschränken. Für ein tiefergehendes Verständnis der Schallentstehung kann allerdings eine räumliche Lokalisation der dominanten
Schallquellen von entscheidender Bedeutung sein. Zu diesem Zweck werden unter anderem Beamforming-Algorithmen eingesetzt, bei denen anhand von
Mikrofonarrays und unter Annahme einer bekannten Schallausbreitung aus gemessenen oder numerisch berechneten Fernfeld-Druckfluktuationen eine
Rekonstruktion der akustischen Oberflächenquellen erfolgt. Im Vergleich zu experimentellen Untersuchungen stehen im Zuge numerischer Berechnungen allerdings auch räumlich hochaufgelöste Druckfluktuationen
auf den Oberflächen der Ventilatorschaufeln zur Verfügung. Da diese Informationen die Physik der Quellmechanismen am Ort der Schallentstehung
beinhalten, scheint ein Verfahren zur direkten Quelllokalisation auf Basis dieser Daten naheliegend. Auf Grundlage des Kirchhoff-Helmholtz-Integrals wird ein
Ansatz vorgestellt, mit dem die abstrahlungsfähigen aeroakustischen Fluktuationen von den nicht-abstrahlungsfähigen aber dominanten hydrodynamischen
Oberflächendaten getrennt und somit als akustische Quellkarte genutzt werden können.
|
| 16:00 |
-
Einsatz erweiterter Modellierung von Längenskalenanisotropie zur Vorhersage des Kopfspaltgeräusches von Axialventilatoren
Lev Liberson, Nils Reiche, Roland Ewert, Jan W. Delfs
[Abstract]
Eine auf effiziente Bestimmung von strömungsbedingter Schallentstehung und Ausbreitung an Axialventilatoren abzielende Methode wird mittels Akustischer Störungsgleichungen (APE) und stochastisch generierter Wirbelschallquellen innerhalb einer hybriden aeroakustischen Simulationsmethode realisiert. Dabei kommt der Discontinuous Galerkin Verfahren basierte Propagationscode DISCO++ in Kopplung mit der Fast Random Particle Mesh Methode (FRPM) zum Einsatz. Letztere dient der Generierung instationärer, stochastischer Wirbelschallquellen.
Durch die typische Einbausituation von Axialventilatoren entsteht geometriebedingt ein Kopfspalt zwischen Schaufeln und Mantelring, welcher wiederrum eine von lokalen Strömungsbedingungen abhängige, markante Schallquelle darstellt.
In der Kopfspaltströmung herrschende konvektive Beschleunigung, charakterisiert durch große Werte des verjüngten Scherratentensors, bewirkt die Verformung und Verzerrung von turbulenten Wirbelstrukturen. Diese, gemäß der ”Rapid Distortion Theory” als ”vortex stretching and tilting” bekannten Effekte, werden maßgeblich durch Schergradiententerme in der Störgeschwindigkeitsgleichung abgebildet. Die daraus resultierende Anisotropie in den Ein- und Zweipunktstatistiken der Wirbelstörungen wiederrum kann die turbulenzbedingte Schallentstehung entscheidend beeinflussen und muss in der Modellierung des Kopfspaltgeräusches abgebildet werden.
Der Einfluss einer diesbezüglichen Erweiterung der innerhalb von FRPM verwendeten Störgeschwindigkeits-Transportgleichung wird anhand von Simulationen des ummantelt eingebauten, fünfblättrigen Axialventilators ”USI-7” diskutiert, wobei zwei unterschiedliche Kopfspaltweiten untersucht werden.
Ein Vergleich des erweiterten Modells, der vorherigen Anisotropie-Modellierungsstufe sowie der quell-isotropen Wirbelschallquellen Modellierung wird aufgeführt. Abschließend erfolgt eine Gegenüberstellung mit experimentell ermittelten Daten.
|
| 16:20 |
-
Numerische Analysen der Hydro- und Luftschallabstrahlung einer Radialpumpe
Matthias Witte, Andre Laß, Joscha Piepiorka, Otto Von Estorff, Frank-Hendrik Wurm
[Abstract]
Im Produktentwicklungsprozess muss neben dem Wirkungsgrad zunehmend auch den akustischen Eigenschaften Bedeutung beigemessen werden.
Dies trifft insbesondere auch für Pumpen zu die in der Gebäudeversorgung eingesetzt werden. Kritisch sind dabei die im Betrieb auftretenden
Druckpulsationen innerhalb der Pumpe. Unmittelbar führen diese zur Schwingungsanregung des Pumpengehäuses und damit zur Abstrahlung von
Luftschall. Weiterhin kommt zur Abstrahlung von Hydroschall in das angeschlossene Rohrleitungsnetzwerk wodurch auch weit entfernt von der Pumpe
Strukturschwingungen von Bauteilen des Rohrleitungsnetzes angeregt und Luftschall abgestrahlt werden kann. Gegenstand des Beitrags ist Vorstellung
von Ergebnissen zur Untersuchung der Flüssigkeits- und Luftschallabstrahlung einer Radialpumpe mit experimentellen und numerischen Methoden. Die
numerischen Untersuchungen stützen sich dabei auf Strömungssimulationen (CFD) mittels SBES Turbulenzmodellierung, welche die Quellterme für die
Berechnung der Hydro- und Luftschallabstrahlung liefern. Die Hydroschallabstrahlung wurde mittels des ”Pertubed Convective Wave Equation” (PCWE)
Verfahrens in OpenFoam berechnet. Die Eingangsgrößen zur Vorhersage der Luftschallabstrahlung durch ein Fast Multipole Randelementeverfahren
(FMM-BEM), in Form der komplexen Schwingschnelleverteilung des Pumpengehäuses, wurden unter Verwendung der Wanddruckfluktuationen der CFD
Simulation mittels finiter Element Simulation der Strukturschwingungen berechnet. In der Diskussion werden numerische und experimentelle Ergebnisse
miteinander Verglichen und ein Ausblick gegeben in wieweit einfachere CFD Turbulenzmodelle auch mit hinreichender Genauigkeit für derartige
Untersuchungen eingesetzt werden können.
|
