Aeroakustischer Schall eines Axialventilators unter hochturbulenter Zuströmung aus LES-berechneten Quellen
Final Report Abstract
Die strömungsinduzierten Wechselkräfte auf den Oberflächen der Schaufeln eines Ventilators wurden unter Variation der Zuströmturbulenz mit verschiedenen numerischen Verfahren (instationäres Reynolds-gemitteltes Navier-Stokes-Verfahren - URANS, Large-Eddy-Simulation - LES und Detached Large Eddy Simulation - DES, Scale Adaptive Simulation - SAS) bestimmt. Der vorliegende Bericht zeigt nun vorrangig Methoden, mit denen das Schallfeld des Ventilatorrotors einschließlich seines Gehäuses als letztes Glied einer durchgängigen Verfahrens unmittelbar aus den numerisch berechneten, strömungsinduzierten Schallquellen berechnet werden kann. Eingesetzt wurden zwei numerische aeroakustische Verfahren mit vergleichsweise niedrigem Approximationsgrad • im Zeitbereich ohne Berücksichtigung der akustischen Wirkung eines Gehäuses das Ffowcs-Williams und Hawkings-Verfahren (FWH) • im Frequenzbereich für den Fall des Rotors im unendlich langen oder begrenzten rohrförmigen Gehäuse das Boundary Element-Verfahren (BEM), hier über den kommerziellen Code Sysnoise™ Als Quelldaten wurden ausschließlich die Schaufelwechselkräfte aus der Large Eddy Simulation (LES) und der weniger aufwändigen, aber doch qualitativ hochwertigen Scale Adaptive Simulation (SAS) genutzt. Die Wechselkräfte wurden so aufbereitet, dass sie als rotierende Dipolquellen in die akustischen Modelle eingesetzt werden konnten. Um den Einfluss des Gehäuses auf die Schallausbreitung zu untersuchen, wurden zwei Gehäusevarianten, die sich in der Länge des Ansaugrohres unterscheiden, berücksichtigt. Die rechnerischen Ergebnisse wurden mit gemessenen Schallfeldgrößen verglichen. Wie nicht anders zu erwarten war, hängt die Qualität der Schallvorhersage ganz entscheidend von der Qualität der durch die numerische Strömungssimulationen berechneten Quellen ab. Gegenüber der FWH-Methode, mit der nur der Schall des isolierten Rotors ohne Gehäuse ermittelt wurde, bildet die BEM-Methode den Einfluss des rohrfbrmigen Ventilatorgehäuses - besonders, wenn es im Vergleich zur akustischen Wellenlänge lang ist • auf das Schallfeld korrekt ab. Gerade bei der Schallabstrahlung normal zur Drehachse und im Bereich der Abschattung durch die Einlaufdüse ist die Übereinstimmung mit dem Experiment gut. Ein Vergleich des gemessen und des berechneten Gesamtschalldruckpegels war allerdings nicht möglich, da mit der BEM-Methode nur einzelne Frequenzen berechnet werden. Die exakte Vorhersage einzelner Tönen erweist sich insgesamt als schwierig, allerdings dürfte das experimentelle Datenmaterial auch eine gewisse Unsicherheit aufweisen Für den Fall des Axialventilators sind bei der BEM-Software Sysnoise™ Kunstgriffe nötig, um die berechneten Quellen räumlich möglichst korrekt und zeitlich phasentreu einzulösen. Letztlich ist nur die Berechnung bei relativ wenigen Frequenzen, die mit der Schaufelzahl und der Drehfrequenz des Rotors zusammenhängen, möglich. Dies ist eindeutig ein Nachteil, der aber nicht der Boundary Element-Methode an sich anzulasten ist, sondern der benutzten Software mit ihrer Formulierung im Frequenzbereich und ihrer speziellen Art, rotierende Schallquellen zu verarbeiten. Die FWH-Methode war wesentlich einfacher zu implementieren, die Zeitdaten aus der Strömungssimulaton konnten direkt verarbeitet werden, allerdings wurde das Gehäuse damit akustisch nicht berücksichtigt.
Publications
- Carolus, T., Schneider, M., Reese, H.: Axial flow fan broad-band noise and prediction, J. of Sound and Vibration 300 (2007) pp. 50-70
- Reese, H., Kalo, C., Carolus: Berechnung von akustischen Quellen eines Niederdruckaxialventilators bei hochturbulenter Zuströmung, VDI-Berichte Nr. 1922,2006
- Reese, H., Kato, C., Carolus, T.: Large Eddy Simulation of Acoustical Sources in a Low Pressure Axial-Flow Fan due to Highly Turbulent Inflow Conditions, Seisan Kenkyu, Vol. 57, No. 1, January 2005, Tokyo, Japan
- Reese, H., Kato, C., Carolus, T.: Large Eddy Simulation of Gust Noise Sources in a Low Pressure Axial Compressor," AIAA 2006-2576, 12th AIAA/CEAS Aeroacoustics Conference 2006, Cambridge, Massachusetts
- Reese, H., Kato, C., Carolus: Numerical Prediction of the Aeroacoustic Sound Sources in a Low Pressure Axial Fan With Inflow Distortion. Fan Noise 2007, Lyon 17.19.9.2007
- Reese, H.: Anwendung von instationären numerischen Simulationsmethoden zur Berechnung aeroakustischer Schallquellen bei Ventilatoren. (Dr.-Ing. Dissertation Universität Siegen), Fortschritt-Berichte VDI Reihe 7, Nr. 489, VDI Verlag, Düsseldorf, 2007
