Laser based tomographic measurement of the local acoustic impedance of overflowed liners (TOMLIM)

• Applicants: Professor Dr.-Ing. Jürgen W. Czarske; Professor Dr. Lars Enghardt
• Subject Area: Fluid Mechanics ; Measurement Systems
• Term: from 2018 to 2023
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 408927635

• Final Report Year: 2023

Final Report Abstract

Im Rahmen des Projekts konnten umfangreiche Studien zu den Grundlagen der Impedanzmodellierung durchgeführt werden. Dazu wurden speziell für den Strömungskanal DUCT-R ausgelegte Modell-Liner gefertigt und mittels optischer und akustischer Messverfahren untersucht. Für diese Untersuchungen wurde ein kamerabasierte laser-interferometrische Vibrometer (CLIV) entwickelt, welches durch Nutzung einer Hochgeschwindigkeitskamera hohe Datenraten mit mehr als 65000 Kanälen bei einer örtlichen Auflösung von 31,5 μm pro Pixel ermöglicht. Weiterhin wurden Algorithmen zur tomografischen Rekonstruktion der integral erfassen Druckoszillationen entwickelt. Basierend auf Nutzung eines neuronalen Netzes konnte trotz des winkelbegrenzten optischen Zugangs die Erfassung lokaler Druckschwankungen über dem Linerperforat gezeigt werden. Auch gelang die Untersuchung der Strömungsgeschwindigkeit durch Korrelation der interferometrischen Kameradaten und somit die partikelfreie, nichtinvasive simultane Erfassung von Dichte, Druck und Strömungsgeschwindigkeit des Fluids. Messungen wurden sowohl in Modellexperimenten, als auch am DUCT-R in Berlin durchgeführt, wobei für Letztere eine qualitative Interpretation der erfassten Schalldruckvariationen vorgenommen werden konnte. Aus den erfassten integralen Daten konnte ein plausibles und physikalisch denkbares Schalldruckverhalten an den Perforationen in Wandnähe gezeigt werden, was in dieser hohen Auflösung messtechnisch zuvor nicht möglich war. Durch die akustischen Messungen am DUCT-R wurde gezeigt, dass für den strömungslosen Fall eine sehr gute Übereinstimmung der Modellvorhersagen mit den Messergebnissen im Bereich der Resonanzfrequenz vorliegt. Die Modelle, die die Strömungseinflüsse berücksichtigen, stoßen dagegen an ihre Grenzen. Dies führt zu der Notwendigkeit der Einführung empirischer Konstanten, welche die Übereinstimmung der Vorhersagen und Ergebnisse verbessern. Nichtsdestotrotz konnte im Rahmen dieser Arbeit gezeigt werden, dass die Modelle sinnvoll kombiniert und erweitert werden können und damit auch als Grundlage für die gezielte Auslegung effizienter Liner genutzt werden können. Anwendungsmöglichkeiten resultierten sowohl für die entwickelte Messtechnik als auch die aufgestellten Impedanzmodelle. Zum einen bietet sich ein breites Anwendungsfeld für die interferometrische Druck- bzw. Dichtemessung, wie beispielsweise die Erfassung der Zellsteifigkeit in der Biomedizin oder die Untersuchung drallstabilisierte Flammen bei der Verbrennung grünen Wasserstoffs, welcher als Energiezwischenspeicher Bestandteil der Transition hin zu einer CO2-neutralen und ressourceneffiziente Energieversorgung ist. Gerade die Nutzung der entwickelten Algorithmen zur tomographischen Rekonstruktion kann dabei neue Erkenntnisse bei der Untersuchung lokaler Phänomene ermöglichen. Zum anderen können die Impedanzmodelle zur Entwicklung eines Optimierungsschemas zur Bestimmung der Geometrie eines Liners genutzt werden, wodurch eine entscheidender Beitrag bei der Realisierung effizienterer Schalldämpfer erreicht werden kann.

Publications

• Measurement of the Local Sound Pressure on a Bias-Flow Liner Using High-Speed Holography and Tomographic Reconstruction. IEEE Access, 7, 153466-153474.
  Ramos, Ruiz Andres E.; Gurtler, Johannes; Kuschmierz, Robert & Czarske, Jurgen W.
  
• „Design von Schalldämpfern – der Weg vom CAD-Modell zum Prototypen“, Deutsche Gesellschaft für Akustik e.V. (DEGA). DAGA 2020 - 46. Jahrestagung für Akustik, 16. - 19. März 2020, Hannover, Deutschland
  F. Bake, K. Knobloch, A. Schulz, R. Burgmayer, W. Hage, S. Kruck, L. Grizewski & L. Enghardt
  
• Dense U-Net for Limited Angle Tomography of Sound Pressure Fields. Applied Sciences, 11(10), 4570.
  Rothkamm, Oliver; Gürtler, Johannes; Czarske, Jürgen & Kuschmierz, Robert
  
• IFAR liner benchmark challenge #1 – DLR impedance eduction of uniform and axially segmented liners and comparison with NASA results. International Journal of Aeroacoustics, 20(5-7), 478-496.
  Bake, Friedrich; Burgmayer, Ralf; Schulz, Anita; Knobloch, Karsten; Enghardt, Lars & Jones, Michael G.
  
• Seedingless measurement of density fluctuations and flow velocity using high-speed holographic interferometry in a swirl-stabilized flame. Optics and Lasers in Engineering, 139, 106481.
  Gürtler, Johannes; Greiffenhagen, Felix; Woisetschläger, Jakob; Kuschmierz, Robert & Czarske, Jürgen
  
• “Schalldruckmessungen mittels tomografischer laser-interferometrischer Vibrometrie”, Deutsche Gesellschaft für Akustik e.V. (DEGA). DAGA 2021 - 47. Jahrestagung für Akustik, 15. - 18. August 2021, Wien, Österreich
  L. Grizewski, O. Rothkamm, J. Gürtler, F. Bake, J. W. Czarske & L. Enghardt