Reduced-Order Modellierung der Schallentstehung an Freistrahlen durch einen abbildungsbasiert stochastichen Anstaz
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die präzise Vorhersage des Lärms von turbulenten Strahlströmungen erfordert in der Regel die Anwendung der direkten numerischen Simulation (DNS) oder der großmaßstäblichen Simulation mit hoher Auflösung (LES), um die turbulenten Quellen im akustischen Nahfeld zu erfassen. Diese Methoden erfordern eine hohe numerische Auflösung, begrenzen den zugänglichen Parameterbereich und verursachen erhebliche Rechenkosten. Reduzierte Modellansätze bieten eine Möglichkeit, diese Beschränkungen zu mildern. In dieser Studie nutzen wir das stochastische eindimensionale Turbulenzmodell (ODT) als eigenständiges Werkzeug, um turbulente Schwankungen im weit entfernten Bereich von turbulenten Rundstrahlen mit endlicher Gegenströmungsgeschwindigkeit zu untersuchen. ODT ist ein dimensionsreduziertes Turbulenzmodell, das darauf ausgelegt ist, Strömungsfelder über einen breiten Bereich von Skalen aufzulösen und turbulente Lärmquellen in allen relevanten Skalen zu erfassen, jedoch nur entlang einer einzigen, radial ausgerichteten, physikalischen Koordinate, die während der Simulation mit der Strömung nach unten advehiert. Der Schwerpunkt lag auf ungeheizten Rundstrahlen mit einem Düsendurchmesser (D), einer nominellen Mach-Zahl (Ma) von 0,9 und einer Reynolds-Zahl (Re_D) von 9×10^4, 2×10^5 und 4×10^5, die als kanonisches Problem dienten. Eine Gruppe von ODT-Realisierungen lieferte Strömungsstatistiken, die zur Schätzung des von kleinskaligen aufgelösten Quellen erzeugten turbulenten Lärms dienen können. Unsere Analyse untersucht die Modellrepräsentation des Strömungsfeldes und der beteiligten Strömungsskalen, und dies erstreckt sich sogar weit hinter die Düse hinaus, was mit hochauflösender LES oder DNS nicht möglich ist. Unsere ODT-Ergebnisse stimmen eng mit vorhandenen Referenzdaten überein und reproduzieren präzise das asymptotische mittlere und fluktuierende Geschwindigkeitsverhalten sowie radiale Turbulenzspektren, die der großmaßstäblichen Strahlähnlichkeit entsprechen, jedoch durch die axiale Abnahme der Turbulenzintensität beeinflusst werden. Diese Ergebnisse bieten einen Ausblick auf das Potenzial des Modells für die Vorhersage von turbulentem Strahllärm. Die dimensionsreduzierte ODT-Formulierung ermöglicht die Auflösung kleinskaliger turbulenter Schwankungen bis zu axialen Positionen von x=100r_0 hinter der Düse mit Radius r_0. Solch umfangreiche axiale Ausdehnungen stellen eine Herausforderung für hochauflösende LES und DNS dar, aufgrund der damit verbundenen Anforderungen an die Auflösung und die Kosten für die Erfassung von Strömungsstatistiken. ODT-Ergebnisse deuten darauf hin, dass die statistische Strahlähnlichkeit bei x/r_0≥60 etwa erreicht wird. Dennoch besteht weiterhin Bedarf an fortschrittlichen numerischen Methoden, die eine detaillierte Darstellung der turbulenten Fluktuationen bis zu den kleinsten Strömungsskalen ermöglichen, insbesondere für ingenieurwissenschaftliche Anwendungen wie die Vorhersage von Strahllärm. Insgesamt stellt diese Studie einen Schritt in Richtung quantitativer Schätzungen von turbulenten und hochfrequenten Mischungslärmquellen dar. Wir beabsichtigten, die Modellrepräsentation der örtlichen Wirbelumlaufzeit und Längenskalen für die Schätzung von Lärmquellen zu nutzen, da dies eine kosteneffiziente und robuste Alternative bietet. Die Modellergebnisse für das Geschwindigkeitsfeld zeigen, dass ODT als eigenständiges Werkzeug in der Lage ist, relevante Strömungsmerkmale von Rundstrahlen präzise zu erfassen. Es bietet eine genaue Darstellung der räumlichen Entwicklung turbulenter Strahlen, insbesondere in weit entfernten Bereichen, und erfasst turbulente Schwankungen und Spektren, die eine Grundlage für die Schätzung von turbulentem Lärm bieten. Darüber hinaus stimmen die mittlere Strömung und die Turbulenzeigenschaften im Fernfeld der Düse zufriedenstellend mit den vorhandenen Referenzdaten überein. Zusammenfassend zeigt diese Studie die allgemeine Eignung von ODT für numerische Simulationen zur Auflösung kleinskaliger turbulenter Phänomene.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Modelling turbulent jets at high-Reynolds number using one-dimensional turbulence. AIAA AVIATION 2021 FORUM. American Institute of Aeronautics and Astronautics.
Sharma, Sparsh; Klein, Marten & Schmidt, Heiko
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Features of far-downstream asymptotic velocity fluctuations in a round jet: A one-dimensional turbulence study. Physics of Fluids, 34(8).
Sharma, Sparsh; Klein, Marten & Schmidt, Heiko
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Toward the use of a reduced‐order and stochastic turbulence model for assessment of far‐field sound radiation: Low Mach number jet flows. PAMM, 23(3).
Medina, Méndez Juan A.; Sharma, Sparsh; Schmidt, Heiko & Klein, Marten
