TY - THES A1 - Giesler, Jens T1 - Schallentstehung durch turbulente Zuströmung an aerodynamischen Profilen T1 - Noise generation from airfoils in a turbulent inflow N2 - Die Interaktion einer turbulenten Zuströmung mit der Vorderkante eines aerodynamischen Profils ist ein dominierender Schallentstehungsmechanismus, der beispielsweise an Ventilatoren in Klimaanlagen, Windkrafträdern und Rotor-Stator-Konfigurationen in Turbomaschinen auftritt. In der vorliegenden Arbeit wird die breitbandige Schallentstehung infolge dieses Mechanismus experimentell untersucht. Der Versuchsaufbau im aeroakustischen Windkanal besteht aus einem Profil und einem Zylinder mit kreisrundem Querschnitt, der zur Generierung der turbulenten Profilzuströmung stromauf des Profils installiert ist (Zylinder-Profil-Konfiguration). Die Profilzuströmung wird nacheinander durch Nutzung von fünf Zylindern unterschiedlicher Durchmesser und durch das Einstellen fünf verschiedener Abstände zwischen Zylinder und Profilvorderkante variiert. Insgesamt wird die aeroakustische Schallentstehung an der Profilvorderkante für 50 Zylinder-Profil-Konfigurationen untersucht, wobei die Zylinder-Zuströmgeschwindigkeit für jede Konfiguration zusätzlich in 26 Schritten zwischen 26 m/s und 72 m/s vorgegeben wird. Der von den Experimenten abgedeckte Machzahlbereich liegt zwischen 0,075 und 0,21 und der Bereich der mit dem Zylinderdurchmesser gebildeten Reynoldszahl liegt zwischen 8,3·10³ und 7,3·10⁴. Der generierte Schall wurde mit einem Mikrofonarray aufgezeichnet. Der infolge der turbulenten Zuströmung an der Profilvorderkante generierte Schall wird während der Analyse der Mikrofonarraymessdaten mit erweiterten Beamforming-Algorithmen (Entfaltungsverfahren) von den anderen Schallquellen getrennt. Somit ist sichergestellt, dass ausschließlich die Schallentstehung an der Vorderkante des Profils und hiermit die Schallentstehung durch turbulente Zuströmung untersucht wird. Insgesamt wurden über 2000 einzelne akustische Messungen durchgeführt, die zusammengenommen ein Datenvolumen von ca. 1,7 TByte aufweisen. Neben den akustischen Messungen wurden für ausgewählte Zylinder-Profil-Konfigurationen Hitzdrahtmessungen durchgeführt, um die Profilzuströmung im Bereich der Profilvorderkante zu charakterisieren. Auf Basis der Analyse der umfangreichen Messdaten wird mit Hilfe einer Dimensionsanalyse ein empirisches Modell zur Abschätzung der Schallentstehung bei inhomogener turbulenter Zuströmung entwickelt. Zudem werden einige für homogene Zuströmung vorhandene Modelle für inhomogene Zuströmbedingungen adaptiert. Die Eignung der getesteten Modelle wird anhand des Vergleichs von Modell- und Messergebnissen diskutiert. N2 - The noise generation due to the interaction of a turbulent inflow with the leading edge of an airfoil is an important noise generation mechanism, for example in air-condition-units, wind turbines and rotor-stator-configurations in turbomachines. The subject of the present dissertation is the experimental analysis of this noise generation mechanism. The measurement setup in the aeroacoustic wind tunnel consists of a so-called rod airfoil configuration in which an airfoil is mounted downstream of a cylinder with a circular cross section. The cylinder generates a turbulent wake and provides a high turbulent and spatial inhomogenous flow interacting with the airfoil and thus generating leading edge noise. A detailed study of the existing literature showed that the generation of leading edge noise depends on parameters of the flow (flow speed, turbulence intensity and integral length scale), parameters of the fluid (density, speed of sound, kinematic viscosity) and geometric parameters of the rod airfoil configuration (airfoil thickness and shape, airfoil span). To vary the flow around the airfoil leading edge, rods with five different diameters as well as five different gaps between rod and airfoils leading edge and two airfoils of Naca0012 and Naca0018 type are subsequently used to provide a total of 50 different rod airfoil configurations. Additionally, the mean velocity of the inflow upstream of the rod is adjusted in 26 steps between 26 m/s and 72 m/s for each rod airfoil configuration. The experiments cover a Mach number range from 0.075 to 0.21 and a Reynolds number range from 8.3·10³ to 7.3·10⁴. The generated noise was captured with a microphone array. The use of microphone array technique allows the separation of noise sources positioned at the leading edge from other (background) noise sources and thus ensures the analyzis of the noise generated through the interaction of the turbulent inflow with the airfoil leading edge. Overall, more than 2000 single acoustic measurements were done, resulting in a data amount of approximately 1.7 TByte. The fluid flow is characterized through hot-wire measurements, performed around the airfoil leading edge for a subset of the rod airfoil configurations. Based on the measured data, an empirical model is developed for the estimation of the noise generated due to the interaction of the spatial inhomogenous turbulent inflow with the airfoil leading edge. Additionally, some existing models for the noise generation due to a spatial homogenous incident turbulence are tested and modified for the condition of spatial inhomogenous inflow. To test the usability of these models for the estimation of the generated leading edge noise, the resulting predictions are compared to the measured data. KW - Turbulente Strömung KW - Schallerzeugung KW - Schallentstehung durch turbulente Zuströmung KW - Zylinder-Profil-Konfiguration KW - Vorderkantenschallmodelle KW - Modellbildung KW - Aeroakustischer Windkanal KW - Leading edge noise KW - Rod airfoil configuration KW - Noise prediction models KW - Aeroacoustic wind tunnel KW - Microphone array measurements Y1 - 2011 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus-22861 ER - TY - THES A1 - Geyer, Thomas T1 - Trailing edge noise generation of porous airfoils T1 - Schallentstehung an der Hinterkante poröser Tragflügelprofile N2 - The use of open-porous, flow-permeable materials is one possible method to reduce the generation of flow induced noise, for example at the trailing edge of wings or airfoils. Subject of the present dissertation is an experimental study of the noise generation at the trailing edge of porous airfoils compared to that of a non-porous reference airfoil of equal chord length. This includes the investigation of the mechanisms responsible for the noise reduction. Additionally, it is of special interest how the different parameters of the porous materials affect the noise generation. Detailed experiments were conducted on a non-porous reference airfoil and a set of 16 porous airfoils at various flow speeds in an open jet wind tunnel. All measurements were performed in subsonic flow, the corresponding maximum chord based Reynolds number is approximately 780,000. The porous materials are mainly characterized by their air flow resistivity. The acoustic measurements were performed using microphone array technology and the resulting data were processed by the application of an advanced three-dimensional beamforming algorithm. To include the aerodynamic efficiency of the porous airfoils in the analysis of the potential trailing edge noise reduction, the corresponding lift forces and drag forces have been measured. Additional hot-wire measurements in the turbulent boundary layer of a subset of the airfoils were performed to enable conclusions on the physical mechanisms that are responsible for the trailing edge noise reduction. In the examined range of frequencies, it was found that a noticeable trailing edge noise reduction can be achieved through the use of porous airfoils despite losses in aerodynamic efficiency. The highest noise reduction per unit lift force was measured for porous airfoils with medium to high air flow resistivities. While a trailing edge noise reduction was observed mainly at medium frequencies, the trailing edge noise spectra of porous airfoils with low and medium air flow resistivities were found to exceed the trailing edge noise of the reference airfoil at high frequencies. This is assumed to be a contribution of surface roughness noise, since the porous materials are characterized by an increased surface roughness compared to the rather smooth surface of the reference airfoil. The boundary layer thickness as well as the boundary layer displacement thickness of the porous airfoils are noticeably larger than that measured at the reference airfoil. The examination of spectra of the turbulent velocity fluctuations showed that the peak measured above the trailing edge of the porous airfoils is at a noticeably lower frequency than that measured at the reference airfoil. Additionally, turbulence spectra measured at different chord positions along the surface of the airfoils revealed that the cause of the measured trailing edge noise reduction at medium and high frequencies may be a shift of the spectra toward lower frequencies with increasing chord position. And while this shift could be observed for both the reference airfoil and the porous airfoils, it is notably stronger for the porous airfoils. The results of the hot-wire measurements also lead to the assumption that the high frequency range of the velocity fluctuations is damped when the turbulence convects over the surface of the porous airfoils, an effect called hydrodynamic damping. Based on turbulence spectra measured above the trailing edge of five airfoils, a simple trailing edge noise prediction model was developed following the fundamental theory by Ffowcs Williams and Hall on the generation of noise in the vicinity of the edge of a semi-infinite flat plate. It is thereby assumed that the spectral shape of the trailing edge noise is related to the spectral shape of the turbulent velocity fluctuations in close proximity to the trailing edge, while the overall amplitude is determined by a convection velocity that is proportional to the mean flow velocity of the fluctuations. One possible application of the resulting model is the prediction of the trailing edge noise based on the input of the measured turbulence spectrum and the corresponding mean flow velocity close to the trailing edge of an airfoil. A more convenient application of the model is the trailing edge noise prediction based on an estimated turbulence spectrum and the corresponding mean flow velocity based on approximations developed in the present dissertation, without the necessity of detailed constant temperature anemometry measurements. The agreement between predicted and measured trailing edge noise spectra was found to be satisfying for both cases, especially when considering the rather basic approach of the model. N2 - Die Verwendung von offen-porösem, luftdurchlässigem Material ist eine mögliche Methode zur Minderung der Schallentstehung durch Umströmung, wie zum Beispiel an der Hinterkante von Schaufelprofilen oder Tragflügeln. Inhalt der vorliegenden Dissertation ist die experimentelle Untersuchung der Schallentstehung an der Hinterkante poröser Profile verglichen mit der Schallentstehung an der Hinterkante eines nichtporösen Referenzprofils gleicher Sehnenlänge. Die Studie beinhaltet zudem die Untersuchung der für die Schallminderung verantwortlichen Mechanismen sowie des Einflusses der Materialparameter der porösen Profile auf die Schallentstehung. In einem Freistrahlwindkanal fanden bei einer Reihe von subsonischen Strömungsgeschwindigkeiten umfangreiche Messungen an einem nichtporösen Referenzprofil und 16 porösen Profilen statt. Die maximale Reynoldszahl betrug etwa 780.000. Die porösen Materialien werden in erster Linie durch ihren längenbezogenen Strömungswiderstand charakterisiert. Akustische Messungen im Windkanal wurden mit Hilfe der Mikrofonarraymesstechnik durchgeführt, die Verarbeitung der Messdaten erfolgte mit Hilfe eines dreidimensionalen Beamforming-Algorithmus. Um die aerodynamische Effizienz der porösen Profile in die Auswertung einzubeziehen, erfolgte die Messung von Auftriebskraft und Widerstandskraft. Um Rückschlüsse auf die zugrunde liegenden Mechanismen der Schallreduktion zu erlauben, wurden zusätzliche Hitzdrahtmessungen in der Grenzschicht ausgewählter Profile durchgeführt. Die Ergebnisse der Untersuchungen zeigen, dass sich trotz aerodynamischer Verluste eine deutliche Minderung des Hinterkantenschalls durch den Einsatz poröser Profile erzielen lässt. Die größte Schallreduktion pro Auftriebskraft konnte für poröse Profile mit mittleren und hohen längenbezogenen Strömungswiderständen gemessen werden. Bei sehr hohen Frequenzen erzeugen poröse Profile mit geringen und mittleren längenbezogenen Strömungswiderständen zum Teil einen gegenüber dem Referenzprofil erhöhten Schalldruckpegel, wobei vermutet wird, dass dies ein Effekt der Oberflächenrauigkeit der porösen Profile und damit ein Beitrag von Rauigkeitslärm ist. Poröse Profile weisen gegenüber dem nichtporösen Profil eine größere Grenzschichtdicke als auch eine größere Grenzschichtverdrängungsdicke auf. Die Untersuchung der Spektren der Schwankungsgeschwindigkeit innerhalb der turbulenten Grenzschicht über der Hinterkante der Profile zeigte, dass das Maximum der Turbulenz für die porösen Profile bei deutlich tieferen Frequenzen liegt als das Maximum der über der Hinterkante des Referenzprofils gemessenen Turbulenz. Messungen der Turbulenzspektren an verschiedenen Positionen entlang der Oberfläche der Profile in Strömungsrichtung ergaben zudem, dass die mutmaßliche Ursache der Schallminderung durch die porösen Profile eine Verschiebung der Turbulenzspektren mit zunehmendem Abstand von der Vorderkante hin zu niedrigeren Frequenzen ist. Diese Verschiebung wurde sowohl für das Referenzprofil als auch für die porösen Profile festgestellt, jedoch ist sie im Fall der porösen Profile viel deutlicher ausgeprägt. Die Ergebnisse der Hitzdrahtmessungen führten darüber hinaus zu der Annahme, dass ein Teil der turbulenten kinetischen Energie im Bereich hoher Frequenzen bei der Konvektion über die Oberfläche der porösen Profile gedämpft wird. Basierend auf über der Hinterkante von fünf Profilen gemessenen Turbulenzspektren wurde in Anlehnung an die Theorie von Ffowcs Williams und Hall über die Schallentstehung an einer halbunendlichen Platte ein einfaches Modell zur Vorhersage von Hinterkantenschall entwickelt. Die dabei zugrunde liegende Annahme ist, dass das Spektrum des Hinterkantenschalls von den gemessenen Turbulenzspektren abgeleitet werden kann, während die Amplitude eine Folge der Turbulenzkonvektionsgeschwindigkeit ist. Ein möglicher Einsatz des Vorhersagemodells ist die Berechnung des Hinterkantenschalls aus gemessenen Turbulenzspektren und den entsprechenden gemessenen mittleren Geschwindigkeiten in der Nähe der Hinterkante. Eine zweckmäßigere Einsatzmöglichkeit ist jedoch die Berechnung des Hinterkantenschalls aus modellierten Turbulenzspektren und Konvektionsgeschwindigkeiten, ohne die Notwendigkeit von detaillierten Hitzdrahtmessungen. Ein Vergleich zwischen gemessenen und vorhergesagten Hinterkantenschalldruckspektren zeigte in beiden Fällen eine zufriedenstellende Übereinstimmung, vor allem vor dem Hintergrund des relativ einfachen Modellansatzes. KW - Tragflügel KW - Schallerzeugung KW - Minderung Hinterkantenschall KW - Poröse Tragflügelprofile KW - Längenbezogener Strömungswiderstand KW - Mikrofonarray KW - Schallvorhersagemodell KW - Trailing edge noise reduction KW - Porous airfoils KW - Air flow resistivity KW - Microphone array KW - Trailing edge noise prediction model Y1 - 2011 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus-22855 ER -