Diskussion zu den Möglichkeiten hydroakustischer Anwendung aeroakustischer Verfahren

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1 Diskussion zu den Möglichkeiten hydroakustischer Anwendung aeroakustischer Verfahren Iris Pantle FG Strömungsmaschinen Uni Karlsruhe Hydroakustische Anwendung aeroakustischer Verfahren

2 Agenda : Ziel Methoden Resultate Vorteile typischer CAA-Verfahren Anwendung bei hydroakustischen Fragestellungen Diskussion Agenda Hydroakustische Anwendung aeroakustischer Verfahren

3 Ziel: - akustisch-numerische Untersuchungen von Strömungsmaschinen - mittel- und langfristig: komplexe 3D-Geometrien wie Ventilatoren, Pumpen, Turbinen ggf. mit Gehäuse und Schallausbreitung nach außen - verschiedene Fluide

4 Einige Phänomene, die für das Schallspektrum bei rotierenden Maschinen bedeutend sind: Offener Rotor Rotor in Gehäuse Tonal: Blattfrequenz, Oberflächenkräfte, Ablösungen Rauschen: Strömungsturbulenz Gehäuseeinflüsse und Einflüsse aufgrund von Phasengrenzen: Rohrmoden, allg. Reflexionen, Brechung, Beugung

5 Methoden: - im Mittelpunkt stehen bisher offene Strömungsprobleme mit dem Fluid Luft (Gas) aero akustische Betrachtungen - die Methodik ist darauf zugeschnitten und kann nicht ohne weiteres auf Gehäuseinnenströmungen mit dem Fluid Wasser (Flüssigkeit) übertragen werden

6 Numerische Methode bisher: - Verwendung eines hybriden Ansatzes - instationäre Strömungsrechung (LES) - jedem Zeitschritt nachgeschaltete akustische Auswertung mit Hilfe der Akustischen Analogien (nach Ffowcs-Williams und Hawkings; integrale Form (!), keine Feldmethode) - gültig für Betrachtungen im akustischen Fernfeld (offene Strömungsfälle)

7 Resultate: - Verifikation der Implementierung und Validierung für verschiedene Strömungsfälle, u.a.: Zylinder (2D-URANS, 3D-LES) Generischer Propeller Zylinder + Profil Anordnung

8 Resultate Propeller: Dimension der Blätter (L x B x H): 100 mm x 40 mm x 4 mm Meßmikrofonpositionen Nach DIN EN ISO Messungen Akustiklabor Fa. KSB, Frankenthal Y Z X 2

9 Resultate Propeller: Y Z X Allgemeine Daten: ω = 2950 U/min f Blatt-Rotation = 98,32 Hz Re = Ma = 0,14 (Blattspitze) 1400 mm 1400 mm 1400 mm Rechts oben: Schema der Domäne der Strömungsberechnung Rechts unten: Diskretisierung auf der Propelleroberfläche, 1,3 Mio. Kontrollvolumina, y + 1 Z X

10 Resultate Propeller: Daten zur Simulation: (Very) Large Eddy Simulation (intationär, 3D) Algebraisches Smagorinsky-Lilley Modell Kompressible Berechnung Zeitschema Dual Time Stepping Zeitschritt 1x10-4 sec (1,77 einer Umdrehung) 1,3x10 6 KV (45 Blattanstellung) und 5x10 6 KV (60 ) Drehfrequenz 2950 U/min (49,17 Hz) CPU-Zeit: 1 Rotation von 5 Mio. KV (Feinstes Netz): ca. 48 Std. (17 Processoren, IBM RS/6000 SP) Zusätzliche CPU-Zeit der Akustikrechnung pro CFD-Zeitschritt: ca. 2% Unten: Druckverteilung auf einem Blatt - Links: Saugseite - Rechts: Druckseite

11 : Ziel Methoden Resultate Resultate Propeller: Druckverteilung und Stromlinien um ein Blatt an unterschiedlichen Blattpositionen z/l = z/l = 31% z/l = 2% z/l = 65% 2% 31% 65% 98% z/l = 98% P P P P

12 Resultate Propeller: Wirbelstärkenverteilung Animierte Geschwindigkeit

13 Resultate Propeller: Schalldruckpegel bei 45 Blattanstellung, Mikrofon 1, 1/12- Octav-Spectrum: Schalldruckpegel bei 60 Blattanstellung, Mikrofon 1, 1/12-Octav-Spectrum: 80 Num. Exp. 80 Num. Exp. SPL [db] 60 SPL [db] f[hz] f [Hz]

14 Resultate Propeller - Zusammenfassung: Beim Propeller ergeben sich gute Übereinstimmungen zwischen den numerischen Berechnungen und den experimentellen Daten (breitbandig und tonal) Für die Schallausbreitung ins Fernfeld einer nach außen offenen Strömung hat sich die Anwendung der FWH-Analogie bewährt Restriktionen: Schallausbreitung wird als ungestört nach Verlassen des (kompakten) Quellbereichs betrachtet; der Schall wandert auf dem kürzesten Weg zum Beobachter ungeachtet etwaiger Hindernisse

15 Resultate Propeller - Zusammenfassung: Restriktionen: Graphische Erläuterung Steigende Kompexität Axial- Radialmschine am Bsp. Ventilator

16 Vorteile typischer CAA-Verfahren: - typischerweise Feldmethoden, wobei ein akustisches Ausbreitungsgebiet diskretisiert werden und ein System von Gleichungen gelöst werden muss Feldverfahren liefern die akustische Information überall im diskretisierten Bereich, nicht nur in einem Aufpunkt - Randbedingungen sind formulierbar Reflexion an Wänden, Impedanzen werden erfassbar - zu CFD analoge Features sind denkbar: z.b. 2-Phasen-Berechnung Brechung an Phasenübergängen, Dämpfung werden erfassbar Vorteile CAA-Verfahren

17 Anwendung bei hydroakustischen Fragestellungen: 4 Punkte sind zu überlegen: - CFD-Code muss fast oder ganz inkompressibel rechnen können; Zustandsgleichung für Flüssigkeiten - CFD-Code sollte für bestimmte Strömungsphänomene aber auch kompressibel rechnen können (z.b. Stoßerscheinungen in Wasserrohren/Wasserschlag) - CAA/CHA-Code muss Zustandsgleichung für (ideale, ggf. reale) Flüssigkeiten berücksichtigen - CAA/CHA-Code muss ggf. auch nichtlineare Erscheinungen erfassen können Anwendung bei hydroakustischen Fragestellungen

18 Anforderungen an den CFD-Code: - herkömmliche, kompressible Codes versagen bei Machzahlen etwa unter 0,05 (Luft) - inkompressible Codes können keine kompressiblen Phänomene erfassen (z.b. Stöße) - dennoch benötigt für Pumpen: Ein Code, der beides abdeckt CFD-Code am FSM: originär kompressibel Erweiterung für nahezu inkompressible Strömungen: mit Hilfe von Präkonditionierungstechniken (meist implizitinstationäre Verfahren) verschiebt sich der gültige Machzahl-Bereich bis auf ca hinunter bei Luft und ca bei Wasser Anwendung bei hydroakustischen Fragestellungen

19 Anforderungen an den CFD-Code: Vergleich herkömmlich-kompressibles mit präkonditioniert-kompressiblem Verfahren zeigt Überlegenheit des letzteren bei kleinen Machzahlen (hier ebene Platte, nur stationär für laminare Strömung dargestellt) Anwendung bei hydroakustischen Fragestellungen

20 Anforderungen an den CFD-Code: Erste, qualitative Untersuchungen mit Wasser bei kleinen Machzahlen zeigen gute Ergebnisse sowohl für die Strömung als auch für die akustische Auswertung nach der FWH-Analogie. Berechnungen: Umströmter Zylinder - Zustandsgleichung für Wasser, Dichte 1 kg/m 3-2D - mit URANS -Ma 0, , Re Es ergaben sich - Strouhalzahlen von ca. 0, ,216 - Frequenzen von ca Hz (erwartet ca Hz) Anwendung bei hydroakustischen Fragestellungen

21 Schalldruckspektrum zur Zylinderumströmung mit Wasser (Pegel nur qualitativ bewertbar, da 2D und unkorrigiert) Anwendung bei hydroakustischen Fragestellungen

22 Anforderungen an den CHA-Code: - Derzeit am FSM in Arbeit - Typischer Ansatz von Finite-Difference Time-Domain Algorithmen höherer Ordnung (inkl. DRP) - wobei Quellen nicht aufgeprägt, sondern aus der Strömung gewonnen werden sollen analoge Vorgehensweise wie bei CAA Codes - ggf. Berücksichtigung nicht-linearer Terme Anwendung bei hydroakustischen Fragestellungen

23 Danke für Ihre Aufmerksamkeit Ende

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