Entwicklungen im Bereich der Numerische AeroAkustik (CAA)

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1 6. Nordeutsches Simulationsforum Entwicklungen im Bereich der Numerische AeroAkustik (CAA) Hintergründe und Herausforderungen 27. September 2012 Joan Malagarriga Duarte

2 Inhalt 2 Aeroakustik Praktische Einführung Computational Aeroacoustics (CAA) Vorstellung unterschiedlicher Methoden Stand der Technik 2005 / 2012 Anwendungsbeispiele

3 Aeroakustik 3 Die Aeroakustik oder auch Strömungsakustik beschäftigt sich mit der Entstehung und Ausbreitung aerodynamisch erzeugter Geräusche und deren Minderung. Die Bedeutung der Aeroakustik hat in der Luftfahrtindustrie und in der Fahrzeugindustrie in den letzten Jahren stark zugenommen. In der Fahrzeugakustik ist dieses durch das wachsende Komfortbewusstsein der Kunden begründet. Die Anzahl der aeroakustischen Windkanäle hat daher in der Vergangenheit stetig zugenommen. Ergänzt werden die experimentellen Untersuchungen durch die numerische Aeroakustik (Computational Aeroacoustics CAA).

4 Aeroakustik 4 Problemstellung PKW Externe Lärmentstehung, Lärmbelastung des Umfelds Geräusch Entwicklung durch Ablösungen und Turbulenzen A-Säule Spiegel Interne Geräuschbelastung Transferpfade von externen Quellen Klimatisierung, Kanäle, Ausströmer

5 CAA Methoden 5 Semi-Analytische Methoden Gültig für akademische Beispiele, einfache Geometrien Nicht geeignet für industrielle Anwendungen Hybride Methoden Basierend auf RANS (Reynolds Averaged Navier Stokes) Ergebnissen zur Rekonstruktion von Quelltermen Beliebig komplexe Geometrien können analysiert werden Ressourcen für die Berechnung sind überschaubar Anwendbar für Strömungsrauschen. Tonale Geräusche (Pfeifen) ist nicht berechenbar, kann ev. mit URANS (Unsteady RANS) ermittelt werden Direkte Methoden Detached Eddy Simulation (DES) Large Eddy Simulation (LES) Direct Numerical Simulation (DNS) Sehr kostspielige Methode, industrielle Anwendbarkeit limitiert

6 CAA Methoden Ziel (Ergebnis) der Berechnung Instationäres 3D Druckfeld Mikrophone zeichnen Druckverlauf auf Auswertung des Spektrums SPL(f) mit Fast Fourier Transformation (FFT) Target: Acoustics pressure field

7 CAA Methoden Steady CFD: mean aerodynamic field only Turbluent field models (syntetic turbulence, semiempirical models) Unsteady CFD: for incompressible flows: aerodynamic field only Direct Noise Computation: unsteady compressible flows: high order : aerodynamic + acoustic field Acoustics source models (Lighthill Analogy, etc) Propagation model or solver LEE (Linear Euler Equation Solver), Mean flow effect on propagation Target: Acoustics pressure field

8 CAA Methoden 8 Stationäre Berechnung RANS Gemittelte Strömungsgrößen Konvergenzprobleme bei instationären Problemen (Karmansche Wirbelstraße) Instationäre Berechnung URANS, DES, LES Zeitabhängige Strömungsgrößen Größerer Rechenaufwand (~Faktor 5-10) RANS Aerodynamik Berechnung LES Aerodynamik Berechnung

9 CAA Methoden 9 Semi-Analytische Methoden Gültig für akademische Beispiele, einfache Geometrien Nicht geeignet für industrielle Anwendungen Hybride Methoden Basierend auf RANS (Reynolds Averaged Navier Stokes) Ergebnissen zur Rekonstruktion von Quelltermen Beliebig komplexe Geometrien können analysiert werden Ressourcen für die Berechnung sind überschaubar Anwendbar für Strömungsrauschen. Tonale Geräusche (Pfeifen) ist nicht berechenbar, könnte ev. mit URANS (Unsteady RANS) ermittelt werden Direkte Methoden Detached Eddy Simulation (DES) Large Eddy Simulation (LES) Direct Numerical Simulation (DNS) Sehr kostspielige Methode, industrielle Anwendbarkeit limitiert

10 Zieldefinition 10 Berechnung des aerodynamisch verursachten Lärms Methode um breitbandigen Schall (Rauschen) zu berechnen Trendaussagen in frühen Designphasen (absolute Werte vs. Trendaussagen) Methode für Nearfield (Pseudosound) / Farfield Lärm Berechnungsaufwand (Ressourcen) industriell leistbar Anwendungsmöglichkeiten in der Luftfahrt Exterior: Landing gears Flaps Winglets Jet engines Interior: Air conditioning systems

11 Workflow 11 CAA hybrid approach Step 1: Time averaged CFD simulation Turbulent Kinetic Energy Turbulent Dissipation Rate Background flow ρ 0, u 0, v 0, w 0, p 0 Step 2: Acoustic source generation Step 3: Propagation of the noise (LEE on tetrahedral grids), Ffowcs Williams Hawkings module

12 Ffowcs Williams Hawkings Modul 12 Möglichkeit um Schallausbreitung über weite Entfernungen zu berechnen Integration of the surface source terms on a porous FWH surface within the CAA domain Prediction of the noise in the far field outside of the CAA domain Ffowcs Williams Hawkings equation can be solved analytically Distance of the observer from the source does not influence the simulation time Observer on the ground CAA Domain FWH Surface

13 Durchführung von Experimenten 13 TNO Anechoic Wind Tunnel: Flow supply through a radial fan Tunnel duct contains silencers and turbulence control units 20x20 cm free jet in anechoic test chamber Measurements in the acoustic near field and acoustic far field Geometry: Half cylinder (Ø 31mm) End plates to avoid interactions of the wind tunnels shear layer and the cylinder tips

14 Anwendung der SNGR Methode 14 CAA simulation of the half cylinder between two plates CFD Mesh: elements Four different inlet velocities 26.4 m/s (Re=5.33*10 4 ) 31.6 m/s (Re=6.38*10 4 ) 36.8 m/s (Re=7.43*10 4 ) 41.8 m/s (Re=8.44*10 4 ) Outlet static pressure 10 5 Pa k-ε model Results ρ,u,v,w,p TKE TDR Velocity Turbulent Kinetic Energy

15 Anwendung der SNGR Methode 15 Comparison with experiments Sound Pressure Levels as a function of the frequency Results near field Results far field (FWH module) Mic. 29, r=0.1 m, θ=0 Mic. 59, r=1 m, θ=67.5

16 Anwendung der SNGR Methode 16 Zusammenfassung Aeroakustische Simukation einer einfachen Geometrie Kopplung mit dem FW-H (Ffowcs Williams & Hawkings) Modul Ergebnisse zeigen einen akzeptable Qualität Ergebnisse sind im Einklang mit der dahinterliegende Probleme bei niedrige Frequenzen

17 Weiterentwicklung der Methoden State of the Art 2005 State of the Art

18 CAA Methoden 18 Semi-Analytische Methoden Gültig für akademische Beispiele, einfache Geometrien Nicht geeignet für industrielle Anwendungen Hybride Methoden Basierend auf RANS (Reynolds Averaged Navier Stokes) Ergebnissen zur Rekonstruktion von Quelltermen Beliebig komplexe Geometrien können analysiert werden Ressourcen für die Berechnung sind überschaubar Anwendbar für Strömungsrauschen. Tonale Geräusche (Pfeifen) ist nicht berechenbar, könnte ev. mit URANS (Unsteady RANS) ermittelt werden Direkte Methoden Detached Eddy Simulation (DES) Large Eddy Simulation (LES) Direct Numerical Simulation (DNS) Sehr kostspielige Methoden Industrielle Anwendbarkeit limitiert

19 Direkte Methoden 19 Aufgrund der Weiterentwicklung der Rechner (High Performance Computing HPC) gewinnen direkte CAA Methoden immer mehr an Bedeutung: Detached Eddy Simulation (DES) Large Eddy Simulation (LES) Direct Numerical Simulation (DNS) Vorteile / Eigenschaften der direkten Methoden: Direkte CAA Methoden sind instationäre Berechnungen, daher steigt der Aufwand naturgemäß Reduktion der Modell-Anzahl im Berechnungs-Workflow, dadurch höhere Ergebnisqualität (weniger Fehlerquellen) Ergebnisqualität hängt stark vom Aufwand ab (Netzgröße/Auflösung, Zeitschritt, Echtzeit)

20 Herausforderungen 20 Methode Validierungsbeispiele für komplexere Geometrien sind nur mangelhaft vorhanden. Messergebnisse variieren stark (Abhängig von Windkanal, Methode der Messung, etc.) Anwendung Notwendige Auflösung bzw. Rechenzeit (-Echtzeit) für gute Ergebnisse ist im Entwicklungsprozess nur mit enormen Ressourcen erreichbar (Hardware, Lizenzkosten, Parallelisierung / Skalierung) Aussagekraft Für eine ganzheitliche Akustikentwicklung ist neben der Schallentstehung und Ausbreitung in der Luft auch die Betrachtung von Körperschall entscheidend. Dies erfordert gekoppelte Berechnungsmodelle (CFD/FEM)

21 Verfügbare Tools 21 Kommerzielle CFD Codes CFX, FLUENT / ANSYS Star CCM+ / CD Adapco CFD++/ Metacomp Technologies PowerFlow / EXA Xflow / Next Limit Open Source Codes OpenFOAM

22 Validierungsbeispiele 22 Außenspiegel The geometry consists of a half cylinder with diameter D = 0.2 meters and height H = D blunted by a quarter sphere on top.

23 Validierungsbeispiele 23 Durchführung der Berechnung mit XFlow Windkanal: 9m x 3m x 6m Verblockung ~0.33% Reynoldszahl basierend auf dem Zylinderdurchmesser ist Re = , bei einer Anströmgeschwindigkeit von 39 m/s. Pre-processing (Geometrieaufbereitung, Aufsetzten der Berechnung in 5 Minuten erledigt) Import der Geometrie (STEP Format) Setup der Parameter des Virtual Wind Tunnels Definition der Randbedingungen Auflösung im Fernfeld entspricht 0.11m Im Nachlauf der Geometrie wird mit einer Auflösung von 3.6mm gerechnet. Durchlaufzeit Echtzeit von 1.2 Sekunden berechnet 12h auf 12CPUs

24 Validierungsbeispiele 24 Definition von Sensorpositionen (Mikrofonen) zur Aufzeichnung der Druckschwankungen. Diese müssen innerhalb des Berechnungsgebietes liegen (kein FH-W-Ansatz).

25 Validierungsbeispiele 25 Berechnungsergebnisse können mit experimentellen Daten von Daimler verglichen werden, bzw. mit Simulationsergebnissen von FLUENT Experiment Xflow LES FLUENT LES

26 Validierungsbeispiele 26

27 Validierungsbeispiele HVAC Kanal Die Geometrie besteht aus einem L-formigen Kanal mit quadratischem Querschnitt. Im Auslauf befindet sich eine Klappe. 27 Quelle: AIAA

28 Validierungsbeispiele 28 Durchführung der Berechnung mit XFlow Einlassgeschwindigkeit: 7,5 m/s Auflösung im Kanal 3,2 mm im vertikalen Teil 1,6 mm im horizontalen Abschnitt 3,2 mm im Auslass Auflösung an der Klappe 0,8 mm Durchlaufzeit Echtzeit von 0.5 Sekunden berechnet 20h auf 12CPUs

29 Validierungsbeispiele Berechnungsergebnisse können mit experimentellen Daten von BMW verglichen werden. 29 Quelle: AIAA

30 Validierungsbeispiele 30

31 Zusammenfassung 31 Bedeutung der virtuellen Entwicklung in der Industrie nimmt zu, das Wissen um die Fähigkeit der Methoden ist essentiell. CAA ist eine der herausforderndsten Disziplinen im Bereich der Strömungssimulation. Hybride Methoden werden in der Industrie angewandt, können jedoch nur Trendaussagen liefern. Direkte Methoden gewinnen aufgrund der Weiterentwicklung der Hardware zunehmend an Bedeutung. Die Validierung der Methode ist noch nicht entsprechend fortgeschritten um im Entwicklungsprozess Fuß zu fassen. Wir sind dabei die Methode weiter zu validieren um eine einer belastbaren Simulationsmethode zur simulationsbasierten Auslegung des Kanal-Ausströmer- Systems in Hinblick auf Geräuschminimierung zu entwickeln.

32 Kontakt Dip. Ing. Joan Malagarriga Duarte Teamleiter CFD Wolfsburg Phone: +49 (0) Fax: +49 (0) qpunkt DeutschlandGmbH Heinekamp 24b D Wolfsburg