Untersuchung von Transmission, Reflexion und Absorption von Schallwellen an unstetigen Querschnittsänderungen in durchströmten Leitungssystemen mittels Grobstruktursimulation und Systemidentifikation.

• Applicant: Professor Wolfgang Polifke, Ph.D.
• Subject Area: Fluid Mechanics
• Term: from 2006 to 2010
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 22217078

• Final Report Year: 2011

Final Report Abstract

Die Beschreibung der Reflexion oder Transmission und damit auch der Verstärkung bzw. Absorption von Schallwellen in turbulent durchströmten Leitungssystemen, wie z.B. Lüftungskanälen, Abgasleitungen und Schalldämpfern ist sowohl eine interessante wissenschaftliche Herausforderung in Akustik und Strömungsmechanik als auch von großer technologischer Relevanz. Im beantragten Vorhaben wurde durch den kombinierten Einsatz von Methoden der numerischen Aeroakustik und der Systemidentifikation die Streuung von Schallwellen an Blenden, Rohrverzweigungen und diskreten Rohrquerschnittsvariationen quantitativ vorhergesagt. Hierfür wird in einem ersten Schritt die Strömung der untersuchten Geometrie mittels der Grobstruktursimulation (Large Eddy Simulation (LES)) modelliert. Durch breitbandige akustische Anregung an den Ein- und Austrittsrandbedingungen werden dabei Schallwellen aufgeprägt. Diese propagieren durch das Rechengebiet, werden dabei an Kanten der Geometrie gestreut und interagieren mit instationären Wirbelstrukturen des Strömungsfeldes. Dabei werden die ein- und auslaufenden ebenen Schallwellen durch Filtertechniken aus dem instationären Strömungsfeld gewonnen. Der LES Ansatz wurde gewählt, um Wechselwirkungen der Akustik mit Wirbelstrukturen, die zur Verstärkung oder Dämpfung von Schallwellen führen können, quantitativ zu erfassen. In diesem wichtigen Punkt ist der LES-basierende Ansatz wesentlich leistungsfähiger als konkurrierende linearisierte Lösungsansätze. Im zweiten Schritt kommen Methoden der Systemidentifikation zur Anwendung, die aus den akustischen Rohdaten das Übertragungsverhalten bestimmen. Hervorzuheben ist, dass durch die Wahl spezieller akustischer Breitband-Anregungssignale in Kombination mit der Systemidentifikation das akustische Übertragungsverhalten mit nur einer LES über den ganzen untersuchten Frequenzbereich bestimmbar ist. Diese Vorgehensweise erlaubt erst den wirtschaftlichen Einsatz der numerisch aufwändigen LES für solche Untersuchungen. Während der ersten Förderperiode wurde intensiv am verwendeten Simulationswerkzeug gearbeitet: Es wurden Randbedingungen implementiert, die einerseits akustisch nicht reflektierend sind, andererseits eine breitbandige akustische Anregung am Rand des Rechengebiets möglich machen. Charakteristiken-basierende Filter wurden aufgesetzt, um akustische Signalanteile aus den Ergebnisse den Grobstruktursimulation zu extrahieren. In der zweiten Projektphase lag der Fokus auf der Weiterentwicklung und Verbesserung der Systemidentifikationstechniken und die Anwendung der LES/SI Methode auf weitere Validierungsgeometrien. Im Detail wurden numerisch stabilere und störungsresistentere Identifikationsmethoden implementiert. Eine neue Klasse von Anregungssignalen mit optimaler Anpassung an die Systemidentifikationsmethoden wurde entwickelt und eine neue Signalfiltertechnik basierend auf der “Independent Component Analysis” wurde getestet. Mittels der LES/SI Methode wurde das akustische Streuverhalten mit hoher Genauigkeit für alle zu untersuchenden Geometrien bestimmt. Durch Vergleich mit experimentellen Daten wurde die Methode validiert.

Publications

• ”Reconstruction of acoustic transfer matrices from Large-Eddy-Simulations of complex turbulent flows”. 14th AIAA/CEAS Aeroacoustics Conference (29th AIAA Aeroacoustics Conference), No. AIAA-2008-3046, Vancouver, Canada, 2008
  Föller, S., Kaess, R. und Polifke, W.
  
• ”Identification of the aeroacoustic response of a low Mach number flow through a T-joint”. J. of the Acoustical Society of America, Vol. 126, No. 2, pages 582-586, 2009
  Martínez-Lera, P., Schram, C., Föller, S., Kaess, R. und Polifke, W.
  
• ”Aero-acoustic characterization of T-junctions based on Large Eddy Simulation and system identification”. 16th AIAA/CEAS Aeroacoustics Conference (31th AIAA Aeroacoustics Conference), No. AIAA-2010-3985, Stockholm, Sweden, 2010
  Föller, S., Polifke, W. und Tonon, D.
  
• ”Determination of acoustic scattering coefficients via Large Eddy Simulation and system identification”. Springer Verlag, in: ”High Performance Computing in Science and Engineering”, pages 243-255, 2010
  Föller, S., Kaess, R. und Polifke, W.
  
• ”Determination of acoustic transfer matrices via Large Eddy Simulation and system identification”. 16th AIAA/CEAS Aeroacoustics Conference (31th AIAA Aeroacoustics Conference), No. AIAA-2010-3998, Stockholm, Sweden, 2010
  Föller, S. und Polifke, W.
  
• ”Experimental and numerical investigations on the whistling ability of an orifice in a flow duct”. 17th Int'l. Congress on Sound and Vibration, Cairo, Egypt, 2010
  Lacombe, R., Moussou, P., Föller, S., Jasor, G., Polifke, W. und Aurégan, Y.
  
• ”Advances in identification techniques for aero-acoustic scattering coefficients from Large Eddy Simulation”. 18th International Congress on Sound and Vibration, Rio de Janeiro, Brasil, 2011
  Föller, S. und Polifke, W.