AEROAKUSTISCHE ARBEITEN AM INSTITUT FÜR FLUID- UND THERMODYNAMIK DER UNIVERSITÄT SIEGEN. Prof. Dr.-Ing. Th. Carolus und Mitarbeiter

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1 1 AEROAKUSTISCHE ARBEITEN AM INSTITUT FÜR FLUID- UND THERMODYNAMIK DER UNIVERSITÄT SIEGEN Prof. Dr.-Ing. Th. Carolus und Mitarbeiter Universität Siegen Fachgebiet Strömungsmaschinen GERMANY - Vortrag am in der TU Darmstadt -

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3 Inhalt 3 1. Aeroakustik axialer Schaufelgitter 2. Schalluntersuchungen am ebenen Einzelflügel 3. Methoden zur Vorhersage des Ventilatorschalls 4. Drehtonmechanismus bei gehäuselosen Radialventilatoren 5. Aerodynamisch erzeugter Schall bei der Wellsturbine

4 1. Aeroakustik axialer Schaufelgitter 4 Schallquellen

5 5 A detail: Airfoil self-noise Turbulent boundary layer/ blade surface interaction (TBS) Flow separation (FS) Turbulent boundary layer/ trailing edge interaction (TBTE)

6 2. Schalluntersuchungen am ebenen Einzelflügel 6

7 7 Mikrofon (Messaufbau 10% cschematisch) Grenzschichtturbulator 6 mm 5 mm 4,5 mm

8 Korrelationsanalyse Spp mit Tragflügel ohne Tragflügel f [Hz] Kreuzspektrum (G 12 ) zwischen Signal M1 und M2 für Messung mit und ohne Flügel im Kanal Falls G 12 (f i ) 3 db G 12 (f i ) = G 12 (f i ), sonst G 12 (f i ) weg Falls 3/4π θ 12 (f i ) 5/4π 1. Filter (Störabstand) halte G 12 (f i ), sonst G 12 (f i ) weg L Spp = G 12 (f i ) für alle f i welche Filter 1 und 2 passieren L p = f L Spp 2. Filter (Dipolannahme) Hinterkantenschall Schmalbandspektrum

9 emplarische Schallpolare NACA α eff [ ] Laminarer Instabilitätsschall 70 LT0: ungetrippt LT3: vollständig getrippt L p,ges [db] für f = Hz Hinterkantenschall 20 <u> = 22.5 m/s, c = m, BLT0 <u> = 22.5 m/s, c = m, BLT3 10 <u> = 27 m/s, c = m, BLT0 <u> = 27 m/s, c = m, BLT α [ ] Strömungsabriss

10 Wake filling 10

11 Wake filling bei einer Turbomaschine 11 RANS computed wake velocity profile at 1 x chord downstream of TE

12 3. Methoden zur Vorhersage des Ventilatorschalls 12 Classification of fan noise prediction methods CLASS I Basic maschine parameters type diameter speed flow rate ressure rise CLASS II Separate consideration of various noise generation mechanisms Simplified fan geometry, flow field (e.g. blade flat plate) CLASS III Separate consideration of various noise generation mechanisms Detailed fan geometry and flow field (e.g. from CFD-computation) Simple algebraic function (correlation) Acoustic models for all noise generation mechanisms (SPECTRAL) SOUND POWER

13 A Class I Regenscheit-method; VDI-Richtlinie * V pt 1 u a LW, ges LW, ges 10lg 1 = LWspez, R+ 10 m lg db V 0 p 0 η c 0 Specific sound power level for various types of fans

14 14 Class I

15 A class II noise prediction method (I) 15 Sharland/Költzsch/Schneider-method

16 A class II noise prediction method (II) 16 Example: Turbulent ingestion (TI) Velocity fluctuations of turbulent flow: curve fit to dimensionless experimental results from various turbulence generators FSr ( Λ) dw ' df 2 = w Tu Λ 10 1 FSr ( ) 2 Λ 10 Lift force fluctuations in terms of modeled turbulent velocity fluctuations dp ak, TI 4 df 2 ρ dw ' f const B w C L 3 c df ( ) 0 Sr Λ Λ = f w

17 A class II noise prediction method (III) 17 Typical result L W [db] GA, ϕ = Messung: L W, ges = 79.5 db Rechnung: L W, ges = 80.7 db Prediction smooth Only broad band Very fast method f [Hz] Schneider, M.: Der Einfluss der Zuströmbedingungen auf das breitbandige Geräusch eines Axialventilators. Fortschritt-Berichte VDI Reihe 7 Strömungstechnik (Dr.-Ing. Diss. Univ. Siegen). Vol. Nr Düsseldorf: VDI Verlag GmbH, ISBN

18 A Class III noise prediction method 18 Detailed unsteady flow field data Fluctuation forces as sources, e.g. in a BEM acoustic field calculation eese, H.: Anwendung von instationären numerischen imulationsmethoden zur Berechnung aeroakustischer challquellen bei Ventilatoren. r.-ing. Dissertation Universität Siegen), Fortschritterichte VDI Reihe 7, Nr. 489, VDI Verlag, Düsseldorf, 2007 PSDL sp [db] LES: OASPL = db Exp: OASPL = db eese, H., Kato, C., Carolus, T.: Large eddy simulation of coustical sources in a low pressure axial-flow fan ncountering highly turbulent inflow. SME J. of Fluids Engineering, March 2007, Vol. 129, pp f [Hz] Sound power spectrum

19 Unsteady CFD Snap shot of the absolute velocity (v/u TIP ) at 50% blade height 19 URANS DES SAS LES

20 CFD: Unsteady Blade Surface Pressure 20 SAS LES Blade suction side (p / 0.5ρu Tip2 )

21 ound Pressure Spectra via Ffowcs Williams & Hawkings (1969) 21 PSDL p 2 dp ak df = 10lg S pak = 10lg db 2 p 0 f0 [ ] PSDL p [db] Exp LES SAS DES URANS f [Hz]

22 Numerical Noise Prediction with BEM Hz= BPF (LES based acoustic BEM)

23 23

24 24 Essentials of Class III noise prediction methods Acoustic results as good as the unsteady flow field data In principle capable to predict noise of realistic fan assemblies LES very costly - hybrid CFD-methods promising Feeding in megabytes of source data into acoustic models maybe tricky

25 . Drehtonmechanismus bei gehäuselosen Radialventilatoren 25 Schallpegel [db/hz] Geräuschspektrum bei n = 1500 min -1 Drehton bei BPF = n. z = 150 Hz Frequenz [Hz]

26 26 Experimenteller und numerischer Strömungsbefund Wirbel verantwortlich für Drehton? Mechanismus?

27 27 Hypothese Interaktion von Strömung modaler Struktur mit Laufrad vgl. Rotor-Stator Stator-Interaktion n Mode n Rad Relativgeschwindigkeit am Eintritt im Axialschnitt

28 Umfängliche Moden 28 Zu bestimmen sind 3 Eigenschaften einer Mode Gestalt Anzahl der Wellen (Modenordnung m) Gestalt Geschwindigkeit (Modendrehzahl n Mode ) n Rad Auswirkung Frequenz der Interaktion Mode Schaufel (f Int => Frequenz des abgestrahlten Tons!) n Mode

29 29 xperimentelle Modalanlayse Datenerfassung an 3 umfänglichen Positionen gleichzeitig Mitrotierende Druckaufnehmer auf den Laufradschaufeln Feststehende Hitzdrahtsonden Modeneigenschaften durch Spektralanalyse (Mongeau et al., 1993) Basierend auf Kohärenz und Phasenlage zwischen je 2 Signalen Nachweis von quasi-stationären azimuthalen Moden am Laufradeintritt Wirbelzopf verursacht letztlich Drehton

30 . Aerodynamisch erzeugter Schall bei der Wellsturbine 30 Wellsturbine Oscillating Water Column (OWC)

31 31 c u Drag Forward driving force Lift Ft w -u

32 32 Forward driving force Drag u c Ft Lift -u w

33 33 80 α eff [ ] L p,ges [db] für f = Hz <u> = 22.5 m/s, c = m, BLT0 <u> = 22.5 m/s, c = m, BLT3 10 <u> = 27 m/s, c = m, BLT0 <u> = 27 m/s, c = m, BLT α [ ] Strömungsabriss

34 Neuer Turbinenprüfstand am IFT 34