Berechnung der Fahrzeugaeroakustik Reinhard Blumrich Forschungsinstitut für Kraftfahrwesen und Fahrzeugmotoren Stuttgart Workshop "Mess- und Analysetechnik in der ", 29.-30.09.2009, Stuttgart. R. Blumrich, Forschungsinstitut für Kraftfahrwesen und Fahrzeugmotoren Stuttgart 1
Motivation Seitenspiegel, gemessen mit Hohlspiegelmikrofon R. Blumrich, Forschungsinstitut für Kraftfahrwesen und Fahrzeugmotoren Stuttgart 2
Aerodynamische Schallquellen am Fahrzeug Anbauteile: Antenne Außenspiegel Scheibenwischer Dachträger, etc. Spezielle Geometrien: A-Säulen Radhäuser Unterboden Spalte Sonstiges: Schiebedach-, Seitenfensterwummern andere Hohlraumresonanzen Undichtigkeiten Lüfter und Klimaanlagen (HVAC) Quelle: Fluent Pkw: aerodynamisches Geräusch oberhalb 100-120 km/h innen und außen relevant (einzelne Frequenzbänder auch früher). Warum Berechnung? Ergebnisse in früher Entwicklungsphase, Kosteneinsparung R. Blumrich, Forschungsinstitut für Kraftfahrwesen und Fahrzeugmotoren Stuttgart 3
Aerodynamische Schallquellen am Fahrzeug Scherspannungen Druckfluktuationen an Oberflächen zeitl. flukt. Volumenstrom Scherspannungen bei Pkw i.d.r. vernachlässigbar R. Blumrich, Forschungsinstitut für Kraftfahrwesen und Fahrzeugmotoren Stuttgart 4
Aerodynamische Schallquellen am Fahrzeug Strukturschwingungen durch Druckfluktuationen an Oberflächen R. Blumrich, Forschungsinstitut für Kraftfahrwesen und Fahrzeugmotoren Stuttgart 5
Berechnungsmethoden Direkte Simulation oder Hybride Methoden Strömungsfeld Fluidakustik Umströmung Fluktuationen Abstrahlung von Schall im Fluid Anregung von Strukturvibrationen Abstrahlung von Schall in das Fluid Strukturakustik Hybride Methoden R. Blumrich, Forschungsinstitut für Kraftfahrwesen und Fahrzeugmotoren Stuttgart 6
Berechnungsmethoden Direkte Simulation hybride Methoden Strömungsfeld (kleine Längenskalen, große Energien) stationäre CFD Rekonstruktion der Turbulenz Strömungsfeld instationäre CFD Fluktuationen Schallfeld (große Längenskalen, kleine Energien) Strukturvibrationen Fluidakustische Methoden Strukturakustische Methoden hoch aufgelöste kompressible NSG, LBM Schallfeld hohe Anforderungen an Rechenleistung (großer Skalenbereich)! Skalentrennung: Strömung, Turbulenz Akustik R. Blumrich, Forschungsinstitut für Kraftfahrwesen und Fahrzeugmotoren Stuttgart 7
Beispiel: Fluktuationen Umströmung eines generischen Seitenspiegels. Isolinine: statischer Druck Konturen: Betrag der Geschwindigkeit Umströmung eines Scheibenwischers. Stromlinien, Geschwindigkeitsvektoren auf der Windschutzscheibenoberfläche R. Blumrich, Forschungsinstitut für Kraftfahrwesen und Fahrzeugmotoren Stuttgart 8
Beispiel: Fluktuationen Wecheldruck auf Seitenscheibe Mikrofonspektren, gemittelt für verschiedene Gebiete (Winkel 0, mit Seitenspiegel, 140 km/h). A-Pillar Vortex Region Side-Mirror Wake Region Re-attached Wake Region Legend: Experiment PowerFLOW R. Blumrich, Forschungsinstitut für Kraftfahrwesen und Fahrzeugmotoren Stuttgart 9
Berechnung Fluid-Akustik Aeroakustische Analogie: kompressible NSG inhomogene, akustische Wellengleichung, Quellterme unabhängig von akustischen Variablen, linearisierte Gleichung, Schall in homogenem, ruhenden Fluid Lighthill, Curle, Lilley, Ffowcs Williams - Hawkings, etc. Kirchhoff method: innere nicht-lineare Region, berechnet mit CFD, äußere lineare Region, Integral über Quellen auf Rand der inneren Region (Kirchhoff-Fläche, ruhend oder bewegt). Linearisierte Euler-Gleichungen (LEE): kompressible NSG linearisiert, Viskosität vernachlässigt, Annahme: akustische Terme sehr klein gegenüber mittleren Strömungsgrößen. Abstrahlung: Aeroakust. Analogie Abstrahlung: Kirchhoff-Integral Ausbreitung: LEE Quellen: CFD Quellen: CFD Strömung, Quellen: CFD R. Blumrich, Forschungsinstitut für Kraftfahrwesen und Fahrzeugmotoren Stuttgart 10
Berechnung Struktur-Akustik Berücksichtigung der Strukturvibration schwache Vibration (kleine Amplituden) kein Effekt auf Strömung Fluid-Struktur-Kopplung (schwache oder Ein-Weg-Kopplung) starke Vibration (große Amplituden) Effekt auf Strömung Fluid-Struktur-Wechselwirkung (starke oder Zwei-Wege-Kopplung) R. Blumrich, Forschungsinstitut für Kraftfahrwesen und Fahrzeugmotoren Stuttgart 11
Berechnung Struktur-Akustik Statistische Energie Analyse (SEA): Betrachtung der Energieflüsse in Subsystemen, Mittelung über Eigenmoden der Subsysteme (hohe Modendichte erforderlich). Boundary Element Methode (BEM): Berechnung der Schallabstrahlung von Strukturen (z.b. Bleche), nur Oberflächen werden betrachtet und diskretisiert. Berechnung Struktur-Vibration mit speziellen Algorithmen. Finite Elemente Methode (FEM): Berechnung der Strukturvibrationen und des Luftschalls, Diskretisierung des betrachteten Volumens (Struktur, Fluid). Energietransfer: SEA Anregung: CFD Abstrahlung: BEM Anregung: CFD Strömung, Anregung: z. B. CFD Abstrahlung, Ausbreitung: FEM R. Blumrich, Forschungsinstitut für Kraftfahrwesen und Fahrzeugmotoren Stuttgart 12
Fluid-Struktur-Kopplung / -Wechselwirkung Beispiel: Ballooning-Effekt bei Stoffdächern von Cabrios Hier: Simulation SAE-Modell mit Stoffdach Statischer Druck (A. Hazir et al., Journal of Sound and Vibration 328, pp. 235 236, 2009) R. Blumrich, Forschungsinstitut für Kraftfahrwesen und Fahrzeugmotoren Stuttgart 13
Fluid-Struktur-Kopplung / -Wechselwirkung Beispiel: Untersuchung Dichtungssystem Hier: Simulation des Schließens einer Tür (Vorspannung der Dichtung) A. Hazir, FKFS R. Blumrich, Forschungsinstitut für Kraftfahrwesen und Fahrzeugmotoren Stuttgart 14
Fluid-Struktur-Kopplung / -Wechselwirkung Berechnung Innengeräusch: CDF-Berechnung (PowerFLOW) Aeroakustik Schnittstelle Struktur- Akustik Interior Noise Oberflächenfluktuationen Structural Input Acoustical Input Panel Structure Acoustical Source Cabin PowerACOUSTICS From SAE 2009-01-2203 Sideglass Design Prediction 15 Exa Corporation
Klimaanlagen (HVAC) Quelle: Valeo Geräusche durch Kanäle, Lüfter, Filter, Klappen, Düsen. andere Simulationsbedingungen: Geschwindigkeiten und Geometrien i.d.r. kleiner. geführte Strömung, Lüfter bilden aktive Schallquellen. Transfer durch Struktur weniger wichtig betrachtete Szenarien geometrisch kleiner aber komplexer. R. Blumrich, Forschungsinstitut für Kraftfahrwesen und Fahrzeugmotoren Stuttgart 16
Klimaanlagen (HVAC) Generischer Luftausströmer Momentaufnahme des Betrages des simulierten Geschwindigkeitsfeldes. Experimenteller Aufbau Augustin et al. DAGA 07, Stuttgart, 2007 R. Blumrich, Forschungsinstitut für Kraftfahrwesen und Fahrzeugmotoren Stuttgart 17
Klimaanlagen (HVAC) Lüftergeräusch (berechnet mit rotierendem Gitter) Complete HVAC Noise Solution: Fan Noise + Duct & Vent Noise + Direct Acoustics Noise Prediction at Passenger Head Locations Shroud geometry missing in sim Direct Noise Prediction 1m in Front of Fan Center Exp Sim 18 Exa Corporation
Zusammenfassung Berechnungsfall für aeroakustische Simulation sorgfältig erstellen: hoch-genaues Gitter in sensitiven Gebieten (relevante Skalen beachten), Turbulenzsimulation richtig wählen (Aeroakustik entsteht aus Strömungsfluktuationen). Oft reicht Simulation der Strömungsfluktuationen für Abschätzung der Auswirkung auf Aeroakustik aus. Direkte Simulation: momentan hauptsächlich kleine oder akademische Fälle, komplexere in Zukunft. Hybrid: CFD-Simulation gekoppelt mit akustischem Post-processing (effizienter aber ungenauer) oder Struktur-Code. Fluid-Struktur-Kopplung / -Wechselwirkung neuer Schwerpunkt in der Simulation (wichtig für Innengeräusch). Berechung Aeroakustik wird als notwendiges und nützliches Werkzeug gesehen, muss genaue Ergebnisse in der frühen Entwicklungsphase bereit stellen, hält Einzug in die Fahrzeugentwicklung. R. Blumrich, Forschungsinstitut für Kraftfahrwesen und Fahrzeugmotoren Stuttgart 19
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit R. Blumrich, Forschungsinstitut für Kraftfahrwesen und Fahrzeugmotoren Stuttgart 20