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 5.3.2009 in der TU Darmstadt -
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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
1. Aeroakustik axialer Schaufelgitter 4 Schallquellen
5 A detail: Airfoil self-noise Turbulent boundary layer/ blade surface interaction (TBS) Flow separation (FS) Turbulent boundary layer/ trailing edge interaction (TBTE)
2. Schalluntersuchungen am ebenen Einzelflügel 6
7 Mikrofon (Messaufbau 10% cschematisch) Grenzschichtturbulator 6 mm 5 mm 4,5 mm
Korrelationsanalyse 8 12 12 Spp 40 20 0-20 -40 40 20 0-20 -40 200 0-200 40 20 0-20 mit Tragflügel ohne Tragflügel -40 10 2 10 3 10 4 f [Hz] 1 2 3 4 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
emplarische Schallpolare NACA 0012 9 80 α eff [ ] 0 1.9 3.7 5.6 7.4 Laminarer Instabilitätsschall 70 LT0: ungetrippt LT3: vollständig getrippt L p,ges [db] für f = 3.125 Hz 60 50 40 30 Hinterkantenschall 20 <u> = 22.5 m/s, c = 0.135 m, BLT0 <u> = 22.5 m/s, c = 0.135 m, BLT3 10 <u> = 27 m/s, c = 0.135 m, BLT0 <u> = 27 m/s, c = 0.135 m, BLT3 0 0 5 10 15 20 α [ ] Strömungsabriss
Wake filling 10
Wake filling bei einer Turbomaschine 11 RANS computed wake velocity profile at 1 x chord downstream of TE
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
A Class I Regenscheit-method; VDI-Richtlinie 3731 13 * 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 Class I
A class II noise prediction method (I) 15 Sharland/Költzsch/Schneider-method
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
A class II noise prediction method (III) 17 Typical result 80 70 L W [db] 60 50 40 30 20 10 GA, ϕ = 0.179 Messung: L W, ges = 79.5 db Rechnung: L W, ges = 80.7 db Prediction smooth Only broad band Very fast method 0 100 500 1000 5000 10000 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. 478. Düsseldorf: VDI Verlag GmbH, 2006. - ISBN 3-18-347807-2
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] 80 60 40 LES: OASPL = 70.76 db Exp: OASPL = 74.51 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. 63-272 20 0 10 2 10 3 10 4 f [Hz] Sound power spectrum
Unsteady CFD Snap shot of the absolute velocity (v/u TIP ) at 50% blade height 19 URANS DES SAS LES
CFD: Unsteady Blade Surface Pressure 20 SAS LES Blade suction side (p / 0.5ρu Tip2 )
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] 80 60 40 20 Exp LES SAS DES URANS 0 10 2 10 3 f [Hz]
Numerical Noise Prediction with BEM 22 300 Hz= BPF (LES based acoustic BEM)
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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
. Drehtonmechanismus bei gehäuselosen Radialventilatoren 25 Schallpegel [db/hz] 70 65 60 55 50 45 40 35 30 Geräuschspektrum bei n = 1500 min -1 Drehton bei BPF = n. z = 150 Hz Frequenz [Hz] 25 100 150 200 250 300 350 400 450 500
26 Experimenteller und numerischer Strömungsbefund Wirbel verantwortlich für Drehton? Mechanismus?
27 Hypothese Interaktion von Strömung modaler Struktur mit Laufrad vgl. Rotor-Stator Stator-Interaktion n Mode n Rad Relativgeschwindigkeit am Eintritt im Axialschnitt
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 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
. Aerodynamisch erzeugter Schall bei der Wellsturbine 30 Wellsturbine Oscillating Water Column (OWC)
31 c u Drag Forward driving force Lift Ft w -u
32 Forward driving force Drag u c Ft Lift -u w
33 80 α eff [ ] 0 1.9 3.7 5.6 7.4 70 L p,ges [db] für f = 3.125 Hz 60 50 40 30 20 <u> = 22.5 m/s, c = 0.135 m, BLT0 <u> = 22.5 m/s, c = 0.135 m, BLT3 10 <u> = 27 m/s, c = 0.135 m, BLT0 <u> = 27 m/s, c = 0.135 m, BLT3 0 0 5 10 15 20 α [ ] Strömungsabriss
Neuer Turbinenprüfstand am IFT 34