An approach to compute cavity noise using stochastic noise generation and radiation

Abstract

Strömungsakustische Voruntersuchungen in der hart umkämpften Automobilindustrie erfordern schnelle numerische Simulationsmethoden, um einen ersten Einblick in die Strömung und das akustische Feld zu erhalten. Auch wenn es Möglichkeiten gibt, praktisch alle Turbulenzlängenskalen aufzulösen, sind diese Verfahren in frühen Phasen der Automobilkomponentenentwicklung nicht zweckmäßig. Deshalb konzentriert sich die vorliegende Arbeit auf einen stochastischen Ansatz zur Rekonstruktion der turbulenten Geschwindigkeitsschwankungen, die auf einer zeitsparenden stationären Strömungslösung basieren. Als praktische ingenieurtechnische Anwendung wurde eine Kavität mit einer überhängenden Lippe betrachtet, für die Messungen und Simulationsergebnisse aus der Literatur vorliegen. Die gesamte Arbeit basiert auf dem hybriden Workflow der Aeroakustik, der im Wesentlichen aus drei Schritten besteht: 1. Durchführen einer Strömungsberechnung; 2. Berechnen von akustischen Quelltermen; 3. Simulieren der akustischen Wellenausbreitung. Zusätzlich wurde die stochastische Rekonstruktion des turbulenten Geschwindigkeitsfeldes nach Schritt eins eingefügt. Jeder dieser Schritte wurde im Hinblick auf die betrachtete Kavität der vorliegenden Arbeit ausführlich beschrieben. Nach der Betrachtung der notwendigen inkompressiblen Strömungsrechnung wurde besonderes Augenmerk auf die Rekonstruktion des turbulenten Geschwindigkeitsfeldes gelegt. Dabei wurde der Algorithmus unter Verwendung von Pseudocode beschrieben. In einem nächsten Schritt wurde die Berechnung von akustischen Quelltermen diskutiert. Ein entscheidender Punkt im hybriden strömungsakustischen Workflow ist die Interpolation der Quellterme von dem Akustiknetz auf das Strömungsnetz. Dazu wurden zwei anspruchsvolle Interpolationsverfahren hinsichtlich ihrer Fähigkeiten im hybriden aeroakustischen Workflow analysiert. Schließlich wurden die resultierenden akustischen Spektren mit Messungen und Simulationsergebnissen verglichen. Dabei waren die in dieser Arbeit erzielten Ergebnisse in guter Übereinstimmung. Dies hat das Potential der stochastischen Methoden für praktische aeroakustische Probleme gezeigt, wie zum Beispiel die Strömung über eine Kavität, die in dieser Arbeit analysiert wurde.

Preliminary aeroacoustic studies in the highly competitive automotive industry require fast numerical simulation methods to gain a first insight in the flow and the acoustic field. Even though there are possibilities to resolve virtually all turbulence length scales, these procedures are infeasible in early stages of automotive component development. Therefore, the present thesis focuses on a stochastic approach to reconstruct the turbulent velocity fluctuations based on a very time efficient steady flow solution. As a practical engineering application, a cavity with an overhanging lip was considered, where measurements and simulation results are available from the literature. The entire work is based on the hybrid workflow for aeroacoustic simulations, which basically consists of three steps: 1. perform a flow computation; 2. compute acoustic source terms; 3. simulate the acoustic wave propagation. Additionally, the stochastic reconstruction of the turbulent velocity field was inserted after step one. Each of these steps was described in detail with regard to the considered cavity in the present thesis. After discussing the necessary incompressible flow computation, special emphasis was given to the reconstruction of the turbulent velocity field. Thereby, the algorithm was outlined utilizing pseudo code. In a next step, the calculation of acoustic source terms was discussed. A crucial point in the hybrid aeroacoustic workflow is the interpolation of the source terms on the flow grid to the acoustic grid. Therefore, two highly sophisticated interpolation procedures were analyzed towards their capabilities in the hybrid aeroacoustic workflow. Eventually, the resulting acoustic spectra were compared with measurements and simulation results. Thereby, the results obtained in this thesis were in good agreement. This has shown the potential of stochastic methods for practical aeroacoustic engineering problems, such as the flow over a cavity that was analyzed in this work.