Junger, C. (2019). Computational aeroacoustics for the characterization of noise sources in rotating systems [Dissertation, Technische Universität Wien]. reposiTUm. https://doi.org/10.34726/hss.2019.40572
Die Aufgabe der numerischen Aeroakustik ist die Schallvorhersage von turbulenten Strömungen. Im Designprozess ist ihre Aufgabe sowohl die Vorhersage, als auch die Veränderung von Schall. Deshalb besteht nicht nur Interesse am nach außen abgestrahlten Schall, sondern auch am Verständnis der Lärmquellen erzeugenden Strömungsmechanismen. Ein großes Gebiet auf dem Schallvorhersage betrieben wird - von Flugzeugtriebwerken bis hin zu Staubsaugern - beinhaltet rotierende Systeme. Die aeroakustischen Untersuchungen in dieser Arbeit finden Anwendung an einem Benchmark eines axialen Niederdrucklüfters, um Vergleiche mit Messergebnissen zu ermöglichen. Da die Rotation besondere Anforderungen an die Strömungsberechnung und die aeroakustischen Methoden stellt, ist das erste Ziel dieser Arbeit die Untersuchung, welche Voraussetzungen eine Simulation erfüllen muss, um Schall richtig vorherzusagen. Das zweite Ziel ist der Vergleich unterschiedlicher Vorhersagemethoden und das dritte Ziel ist die Untersuchung der Lärmquellen im rotierenden System. Zur Vorhersage werden empirische Formeln bis hin zu numerischer Aeroakustik auf dem aktuellen Stand der Technik angewendet. In der numerischen Vorhersage werden detaillierte Informationen über das Strömungsfeld benötigt. Um diese zu erhalten, wurde eine transiente Strömungssimulation durchgeführt. Für die Validierung der Strömungssimulation wurden Strömungsgeschwindigkeit, Druckanstieg und Wanddruckspektren mit den Messungen des Benchmarks verglichen. Die Schallvorhersage mit der konvektiven Störungswellengleichung zeigt, dass mindestens fünf Umdrehungen des Lüfters simuliert werden müssen, bevor tonale Komponenten im akustischen Spektrum vorhergesagt werden können. Die Interpolation der akustischen Quellen und die räumliche Auflösung haben wenig Einfluss auf das akustische Ergebnis aber großen Einfluss auf den Berechnungsaufwand. Im Vergleich dazu kann Beschneidung der akustischen Quellen mehr Einfluss auf die aeroakustische Vorhersage haben. Der Gesamtschallleistungspegel dieser Schallvorhersage hat lediglich eine Abweichung von 0.6 dB im Vergleich mit den Messungen, aber die Vorhersage des ersten subharmonischen Peaks ist nicht ausreichend. Die Ffowcs-Williams Hawkings Analogie ist in der Lage den ersten subharmonischen Peak vorherzusagen aber hat eine Abweichung im Gesamtschallleistungspegel von 2.1 dB im Vergleich mit den Messungen. Die Genauigkeit der semiempirischen Vorhersagemethoden ist unter 2 dB im Gesamtschallleistungspegel. Die stochastischen Vorhersagemethoden verorten die Lärmquellen an den Blattvorderkanten des Lüfters und in der turbulenten Grenzschicht sowie in der Kopfspaltströmung. In den Ergebnissen der Strömungssimulation ist ersichtlich, dass es durch Kopfspaltströmung zu einer Interaktion mit den Blättern kommt. Die Untersuchung der aeroakustischen Lärmquellen zeigt, dass die Kopfspaltströmung zu Lärmquellen am äußeren Radius des Lüfters führt, aber die Stärke der Lärmquellen mit der Zeit variiert. Weitere starke Lärmquellen treten an den Blattvorderkanten auf. Für höhere Frequenzen werden die Lärmquellen zunehmend kompakt.
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The objective of computational aeroacoustics is the prediction of sound generated by turbulent flow. Its utilization in design processes demands the prediction, and consequently the manipulation of sound. Therefore, not only the radiated sound is of interest, but also the flow mechanisms generating the noise sources have to be understood. A large area where sound prediction is applied - from aircraft engines down to vacuum cleaners - includes rotating systems. The aeroacoustic investigations in this work are applied to a low pressure axial fan benchmark, to be able to compare the results with measurements. The first aim of this work is the investigation of the prerequisites a simulation needs to fulfill to predict the sound correctly, as the rotation yields special challenges on the flow computation and the aeroacoustic methods. The second aim is the comparison with different prediction methods, and the third aim is to investigate the obtained information about noise sources in the rotating system. Applied and compared are different methods, from empirical formulas to state of the art computational aeroacoustic prediction methods. In the computational prediction, detailed information about the flow field is needed. To obtain the information, a transient flow simulation was performed. For the validation of the flow simulation, flow velocity, pressure rise and wall pressure spectra were compared with the measurement results from the benchmark. From the sound prediction with the perturbed convective wave equation it can be seen that at least five revolutions of the fan have to be computed before tonal components in the acoustic spectrum can be predicted. The interpolation of acoustic sources as well as the spatial discretization have little influence on the acoustic result but large influence on the computational effort. Compared to that, blending of the acoustic source term can have more influence on the result of the aeroacoustic prediction. The over all sound power level is predicted with only a deviation of 0.6 dB compared to the measurements but the spectral prediction of the first subharmonic peak was not sufficient. The Ffowcs-Williams and Hawkings analogy is able to predict the first subharmonic peak but has a deviation of 2.1 dB in the over all sound pressure level compared to the measurements. Semi empirical methods predict the over all sound power level to an accuracy below 2 dB. The stochastic noise prediction methods, predict the sound sources at the leading edges of the fan blades and in the flow of the boundary layer and tip flow. From the flow simulation, it can be seen that the tip flow leads to interactions with the blades. The investigations of the aeroacoustic sources show that the tip flow results in noise sources at the outer diameter of the fan, but the strength of the sources varies over the simulation time. Further strong sources occur at the leading edges of the blades. For higher frequencies acoustic sources become more and more compact.
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Abweichender Titel nach Übersetzung der Verfasserin/des Verfassers