Strömungsakustische Simulation einer tiefen Kavität mit Lippe

Abstract

Die vorliegende Arbeit stützt auf dem Artikel von Bence Farkas und György Paal [1]. Das dort verwendete generische Kavitätsmodell, das einen beliebigen Schlitz am Fahrzeug (z.B. Türschlitz) nachbilden soll, wurde nach einem Benchmark (Kategorie 6) von NASA [2] erstellt und nach entsprechender Anpassung für kompressible und inkompressible Strömungsfelder nummerisch untersucht. Dabei sind verschiedene Turbulenzmodelle, Anströmungsgeschwindigkeiten und Randbedingungen in Vergleich gebracht worden. Da die Autoren mangelhafte Ergebnisse im Falle einer inkompressiblen Strömungssimulation feststellen konnten, wird sich diese Diplomarbeit ausschließlich auf Strömungsfelder kompressibler Natur konzentrieren, um diese entsprechend tiefer zu studieren und ggf. besser zu verstehen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedene 3D-Gittergenerierungsstrategien anhand kompressibler nummerischen Strömungssimulationen (eng. Computational Fluid Dynamics – CFD) in ANSYS Fluent 18.0 untersucht und gegenübergestellt. Dabei sind die Netzkonvergenz sowie die Funktionalität von diversen u.a. neuen hybriden Turbulenzmodellen (z.B. SBES [3]) überprüft worden. Anschließend wurden die verschiedenen Strömungsfelder zur Berechnung von akustischen Quelltermen verwendet und die daraus resultierenden Schallfeldern mit der hauseigenen Simulationssoftware Coupled Field Simulation – CFS++ simuliert. Am Ende wurden die Einflüsse der Anströmungsgeschwindigkeit, der Grenzschichtdicke, der Zeitschrittgröße sowie der verwendeten Turbulenzmodelle und der Quelltermberechnungsmethoden auf die akustische Abstrahlcharakteristik von der tiefen Kavität bewertet. Im Rahmen der CFD Studie konnte der Ursprung einiger bis dato unbekannten Moden im Druckspektrum dieses Kavitätsproblems definiert werden. Ferner wurde auch die Rolle der dreidimensionalen Taylor-Görtler-Wirbel aus der Rezirkulation für die Wirbelbildung, sowie für die Wirbel-Kanten-Interaktion und die damit verbundene Schallabstrahlung bewertet.

This work is based on the article of Bence Farkas and György Paal [1], which numerically studied a generic cavity model that mimics a gap in a vehicle (e.g. door gap) within comressible and incompressible flow fields. The computational domain was based on a benchmark (category 6) published by NASA [2], which was adjusted to the needs of their study. Throughout the simulations various turbulence models, flow velocities and boundary conditions have been applied and compared. The authors concluded that in case of incompressible flows the assessed results were lacking on accuracy, which is why this thesis concentrates exclusively on compressible flow fields and aims to achieve a deeper view and better understanding of their nature. Within this thesis, various 3D-mesh generation strategies were investigated and compared using numerical flow simulations (Computational Fluid Dynamics – CFD) in ANSYS Fluent 18.0 applied for the case of compressible fluids. Furthermore, the mesh convergence as well as the functionality of various latest hybrid turbulence models (e.g. SBES [3]) were examined. Thereafter the ssessed flow fields are then used for the calculation of acoustic source terms and acoustic fields within the in-house simulation software Coupled Field Simulation – CFS++. At the end the influence of the flow velocity, the boundary layer thickness, the time step size as well as the used turbulence models and the source term calculation strategies on the acoustic radiation characteristics of the deep cavity were evaluated. Within the scope of the CFD study, the origin of some previously unknown modes in the pressure spectrum of the present cavity problem could be defined. Furthermore, the role of the three-dimensional Taylor-Görtler vortices from the recirculation for the vortex formation, as well as for the vortex-edge interaction and the associated sound radiation was also evaluated.