Aeroakustische Untersuchungen am LSTM / LSE der Universität Erlangen

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1 Aeroakustische Untersuchungen am LSTM / LSE der Universität Erlangen I. Ali, M. Escobar, C. Hahn, M. Kaltenbacher, S. Becker Prof. F. Durst, Prof. R. Lerch Lehrstuhl für Strömungsmechanik (LSTM) - Lehrstuhl für Sensorik (LSE) Universität Erlangen Gefördert aus Mitteln der Staedtler Stiftung und KONWIHR DGLR Braunschweig, 31. Januar 2003

2 Übersicht Versuchseinrichtungen Charakterisierung Akustikraum Akustikkanal Messmethoden Akustische Messungen (Mikrofonarray) Strömungsmessungen (HDA,LDA,PIV) Druckmessungen (Stat. und instat. Messungen) Numerische Verfahren Fastest 3D / CAPA MPCII Kopplung Ergebnisse Weitere Arbeiten

3 Charakterisierung des Akustikraumes Hallarmer Raum Volumen: 9 m x 6 m x 3.6 m Absorbierende Wände (Dicke 10 cm) Schaumstoffkeile (Höhe 34 cm)

4 Charakterisierung des Akustikraumes Reflexionsarmer Raum: Herstellen eines freien Schallfeldes Freifeld erst oberhalb einer Grenzfrequenz vorhanden Charakterisierung des hallarmen Raumes mittels: Nachhallzeit Absorptionsgrad Hallradius Ziel: Möglichst geringe Nachhallzeit, hohe Absorption und großer Hallradius

5 Absorptionsgrad Aus Messung der Nachhallzeit kann Absorptionsgrad bestimmt werden:

6 Aeroakustischer Windkanal

7 Entwicklung der freien Querschnittsfläche

8 Gesamtdarstellung des Windkanals

9 LSTM/LSE Aeroakustischer Windkanal

10 Messverfahren Akustikmessungen Mikrofonmessungen Mikrofonarray Strömungsmessverfahren Hitzdrahtanemometrie HDA Laser-Doppler-Anemomentrie (2D/3D) Particle Image Velocimetrie (3D) Druckmessungen (Stat. und instat. Messungen) Schwingungsmessungen Vibrationsmessungen

11 Derzeitige experimentelle Arbeiten Windkanaluntersuchungen - Durchführen von Leerlauftests Freistrahlspektrum (Hintergrundgeräusch) Turbulenzgrad Homogene Druck- und Geschwindigkeitsverteilung Standardisierte Tests (Validierung numerische Berechnungen): Querangeströmter Zylinder Überströmter Hohlraum Tragflächenprofile Entwicklung eines Mikrofon-Array Gekoppelte Geschwindigkeits- und Akustikmessungen

12 Derzeitige experimentelle Arbeiten Windkanaluntersuchungen - Durchführen von Leerlauftests Freistrahlspektrum (Hintergrundgeräusch) Turbulenzgrad Homogene Druck- und Geschwindigkeitsverteilung Standardisierte Tests (Validierung numerische Berechnungen): Querangeströmter Zylinder Überströmter Hohlraum Tragflächenprofile Entwicklung eines Mikrofon-Array Gekoppelte Geschwindigkeits- und Akustikmessungen

13 Derzeitige experimentelle Arbeiten Windkanaluntersuchungen - Durchführen von Leerlauftests Freistrahlspektrum (Hintergrundgeräusch) Turbulenzgrad Homogene Druck- und Geschwindigkeitsverteilung Standardisierte Tests (Validierung numerische Berechnungen): Querangeströmter Zylinder Überströmter Hohlraum Tragflächenprofile Entwicklung eines Mikrofon-Array Gekoppelte Geschwindigkeits- und Akustikmessungen

14 Derzeitige experimentelle Arbeiten Windkanaluntersuchungen - Durchführen von Leerlauftests Freistrahlspektrum (Hintergrundgeräusch) Turbulenzgrad Homogene Druck- und Geschwindigkeitsverteilung Standardisierte Tests (Validierung numerische Berechnungen): Querangeströmter Zylinder Überströmter Hohlraum Tragflächenprofile Entwicklung eines Mikrofon-Array Gekoppelte Geschwindigkeits- und Akustikmessungen

15 Derzeitige experimentelle Arbeiten Windkanaluntersuchungen - Durchführen von Leerlauftests Freistrahlspektrum (Hintergrundgeräusch) Turbulenzgrad Homogene Druck- und Geschwindigkeitsverteilung Standardisierte Tests (Validierung numerische Berechnungen): Querangeströmter Zylinder Überströmter Hohlraum Tragflächenprofile Entwicklung eines Mikrofon-Array Gekoppelte Geschwindigkeits- und Akustikmessungen

16 Numerische Verfahren (FASTEST & CAPA) Simulation of Turbulent Flows RANS LES DNS - Reynolds averaged N.-S. eqns - statistical turbulence models - filtered N.-S. eqns. - subgrid scale models -full N.-S. eqns. - no models Algebric Re Full Re Eq. models Eq. models Eq. models stress models stress models Baldwin- Lomax κ-ε model κ-ω model Low-Re model

17 CAPA (Coupled Field Simulation) Pre-Processing Interfaces to Standard FEM/BEM Software CAPAPre Analysis Post-Processing Electrostatics nonlinear Mechanics linear / nonlinear Magnetics Acoustics Infinite Elements Interfaces to Standard FEM/BEM Software Piezoelectrics CAPAPost

18 Governing Equations Ffowcs-Hawkings formulation Considers the inclusion of moving surfaces Equivalence of the generalized delta function

19 Modeling Approach Fluid and acoustic regions Acoustic domain Obst Fluid domain

20 Coupling FASTEST & CAPA Strömungslöser LES Modell FASTEST Finite-Volumen-Methode Kopplung im Zeitbereich Akustische Feldberechnung auch im Schallentstehungsgebiet Fluid/Solid Kopplung Nichtlineare Schallausbreitung (Leistungsultraschall) MpCCI Kopplung Gitter Drücke Geschwindigkeiten CAPA Akustiklöser Time Domain Finite-Elemente-Methode

21 Example: square cylinder Description of the model Fluid domain

22 Example: square cylinder Description of the model Acoustic domain Absorbing boundaries

23 Example: square cylinder Fluid-Acoustic boundary correction Linear damping

24 Example: square cylinder Fluid-Acoustic boundary correctio (linear damping) (a) (b) (1) (2)Without damping With damping

25 Example: square cylinder Preliminary acoustic results Quadrupole contribution at t=1ms Dipole and quadrupole contribution at t=1ms

26 Projekte und weitere Arbeiten Projektförderungen Aeroakustik Staedtler Stiftung, KONWIHR, Streamnoise (BFS) STREAMNOISE Zusammenarbeit Industrie Aerodynamische Lärmerzeugung und ausbreitung in rotierenden Systemen Thermisch getriebener Resonanzlärm in Verbrennungssystemen Akustik bei der Durchströmung von Kanälen