TY - THES A1 - Sharma, Sparsh T1 - Stochastic modelling of leading-edge noise in time-domain using vortex particles T1 - Stochastische Modellierung des Tragflügelvorderkantenschalls in zeitlicher Auflösung mit der Vortex-Partikel-Technik N2 - The conceptual designing of rotating machines such as fans, wind turbines, contra-rotating open rotors and helicopter blades require low-cost, easy-to-run tools which allow quick noise assessments and optimization analyses underlying this phenomenon. The state-of-the-art numerical and experimental methods are far more expensive to conduct an optimisation study, whereas inexpensive methods like the analytical ones can have significant errors in realistic geometries at high-frequency ranges, higher angles of attack. The response to large coherent disturbances and the statistical modeling of turbulence is required because turbulence, by far its nature, is stochastic. Determining the accurate unsteady response of airfoil is crucial for noise prediction. The primary goal of the project is to develop a new low-cost and easy-to-use numerical technique for aero-acoustic designs, focused primarily on airfoil-turbulence interaction. The development of the statistical method is divided into three sections; namely - 1) calculating the background flow, 2) modeling of statistically optimized inflow disturbance, 3) constructing a vortex database to predict the noise in multiple flow fields characterized by different values of turbulent intensities and length scales. In the framework of this work a new approach to model inflow turbulence, a significant noise-generating element, is suggested, which does not depend on heavy computations requiring supercomputers. Through this approach, the influence of turbulence parameters on the noise generated in turbomachinery can be quantified. The approach also considers the geometrical parameters of the airfoil in the noise prediction. The background flow is numerically simulated via solving the vorticity transport equations in the Lagrangian form (vortex methods). The acoustic influence of a finite number of vortices, characterized by all the possible combinations of size, circulation and injection position/time defined using the ranges of probability distribution functions, released from injection points upstream of the airfoil are precomputed and stored in a matrix. The method is computationally inexpensive compared to classical vortex methods since the effect due to particles are precomputed, stored in a/an matrix/array. The matrix can be called as a library while predicting the noise from a specific airfoil. N2 - Die konzeptionelle und vorläufige Auslegung rotierender Maschinen wie Lüfter, Windturbinen, gegenläufiger offener Rotoren und Hubschrauberblätter erfordert kostengünstige und einfach zu bedienende Werkzeuge, die eine schnelle Geräuschbeurteilung und Optimierungsanalyse ermöglichen. Die neuesten numerischen und experimentellen Methoden sind für die Durchführung einer Optimierungsstudie zu rechenaufwändig, wohingegen kostengünstige Methoden, wie zum Beispiel analytische, bei realistischen Profilgeometrien vor allem im Bereich hoher Frequenzen sowie bei höheren Anstellwinkeln erhebliche Fehler aufweisen können. Da Turbulenz grundsätzlich eine statistische Größe ist, erscheint es sinnvoll, eine turbulente Strömung sowie auch die Interaktion eines Tragflügel- oder Schaufelprofils mit einer solchen Strömung statistisch zu modellieren. Die Bestimmung der instationären Reaktion des Strömungsprofils ist anschließend für die Vorhersage des entstehenden aerodynamischen Schalls von entscheidender Bedeutung. Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Entwicklung einer neuen kostengünstigen und benutzerfreundlichen numerischen Technik für aeroakustische Konstruktionen, die sich hauptsächlich auf die Wechselwirkung zwischen Tragflügelprofilen und Turbulenzen konzentriert. Die Entwicklung der statistischen Methode gliedert sich in drei Abschnitte; nämlich - 1) der Berechnung der Hintergrundströmung, 2) der Modellierung der statistisch optimierten turbulenten Zuströmung, und 3) der Generierung einer Wirbeldatenbank zur Vorhersage des entstehenden Schalls für mehrere Strömungsfelder, die durch unterschiedliche Werte von Turbulenzintensitäten und Längenskalen gekennzeichnet sind. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein neuer Ansatz zur Modellierung einer turbulenten Zuströmung – und damit einer für die Lärmerzeugung wesentlichen Größe - vorgestellt, der eine vergleichsweise schnelle Berechnung erlaubt und nicht auf die Nutzung von Hochleistungscomputern angewiesen ist. Durch diesen Ansatz kann der Einfluss von Turbulenzparametern auf das in Turbomaschinen erzeugte Geräusch quantifiziert werden, wobei auch die geometrischen Parameter des Schaufelblatts bei der Geräuschvorhersage berücksichtigt werden. Die Hintergrundströmung wird bei dieser Methode numerisch simuliert, indem die Wirbeltransportgleichungen in der Lagrange-Form gelöst werden (sogenannte Vortex-Methoden). Der akustische Einfluss einer endlichen Anzahl von Wirbeln, charakterisiert durch alle möglichen Kombinationen von Wirbelgröße, Zirkulation und Injektionsposition / -zeit, definiert unter Verwendung der Bereiche von Wahrscheinlichkeitsverteilungsfunktionen, die von Injektionspunkten stromaufwärts des Schaufelblatts abgegeben werden, werden vorberechnet und in einer Matrix gespeichert. Diese Methode ist daher im Vergleich zu klassischen Vortex-Methoden vergleichsweise rechengünstig, da die Auswirkungen von Partikeln vorausberechnet, in einer Matrix gespeichert und schließlich zur Berechnung der Schallentstehung nur noch ausgelesen werden. KW - Leading-edge noise KW - Aeroacoustics KW - Ffowcs-Williams Hawkings KW - Broadband noise KW - Airfoil-turbulence interaction KW - Tragflügelvorderkantenschalls KW - Breitbandgeräusch KW - Tragflächengeräusch KW - Aeroakustik KW - Zeitbereich KW - Tragflügel KW - Vorderkante KW - Tragflügelumströmung KW - Strömungsakustik Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-50858 ER - TY - THES A1 - Höhne, Christian T1 - Multimodal approach for the numerical simulation of ultrasonic guided waves in cylindrical structures of non-constant thickness T1 - Multimodalansatz für die numerische Simulation geführter Ultraschallwellen in Zylinderstrukturen nicht-konstanter Dicke N2 - Guided waves hold great potential for applications in the field of ultrasonic nondestructive testing. Examples of possible applications are the ultrasonic testing and structural health monitoring of wheelset-axles as used in trains. Depending on the particular type, these axles can be described as either thick cylindrical rods or thick walled hollow cylinders with varying thickness. Wheelset-axles are safety relevant components that have to be inspected on a regular basis. The use of guided waves would allow a full inspection while accessing only the front faces of the axle, thus potentially speeding up the inspection procedure. In order to develop such an inspection technique, however, detailed knowledge of wave propagation through the axle is required. Established mesh-based procedures, like the finite element method, could be used to simulate guided wave propagation in such structures. However, due to the size of the axle itself and the comparatively fine mesh that is dictated by the wavelengths usually applied in ultrasonic testing, these mesh-based procedures would be very expensive in terms of computation times. The multimodal approach seems to be a very promising alternative that can be expected to provide results significantly faster. The multimodal method uses the guided wave modes of a corresponding waveguide with a constant cross-section as basis in which the local sound field at any given position in a waveguide with varying thickness can be expressed. Thereby the numerical effort is reduced to solving the one dimensional differential equations that govern the evolution of the coefficients in the mode spectrum along the waveguide. Once the sound field has been calculated, a time dependence can easily be included, which allows the simulation of pulse propagation through the waveguide. In this thesis, the multimodal approach, as described for the calculation of Lamb-waves in plates with non-constant thickness, is extended to other types of elastic waveguides such as cylindrical rods and thick walled hollow cylinders. For the sake of simplicity, investigations are restricted to axially symmetric wave modes. The results obtained with the multimodal approach are validated against FEM-simulations. It is shown that the multimodal method potentially holds a great advantage in terms of computation time over commercially available software based on the finite element method. Finally, the multimodal method is evaluated with respect to possible future applications on wheelset-axles. N2 - Geführte Wellen besitzen ein großes Potential für Anwendungen im Bereich der zerstörungsfreien Ultraschallprüfung. Beispiele möglicher Anwendungen sind die Ultraschallprüfung oder Zustandsüberwachung von Radsatzwellen, wie sie in Zügen verwendet werden. Abhängig vom jeweiligen Typ können diese Radsatzwellen als Vollzylinder oder dickwandige Hohlzylinder beschrieben werden. Radsatzwellen sind sicherheitsrelevante Bauteile, die regelmäßig geprüft werden müssen. Die Verwendung geführter Wellen würde ausgehend von den Stirnflächen eine Prüfung des gesamten Bauteilvolumens ermöglichen. Dieser Umstand kann potentiell verwendet werden um den Prüfprozess zu beschleunigen. Zur Entwicklung eines entsprechenden Prüfverfahrens sind jedoch Kenntnisse über die Details der Ausbreitung geführter Wellen innerhalb der Radsatzwellen notwendig. Etablierte Verfahren, wie die Finite-Elemente-Methode, können für die Simulation der Ausbreitung geführter Wellen in derartigen Strukturen verwendet werden. Aufgrund der Abmessungen der Radsatzwelle, der in der Ultraschallprüfung gebräuchlichen Wellenlängen und der sich daraus ergebenden notwendigen Größe und Anzahl der Elemente, wäre dabei allerdings mit einem großen Zeitaufwand zu rechnen. Der Multimodalansatz scheint eine vielversprechende Alternative darzustellen, welche im Stande ist Simulationen wesentlich schneller durchzuführen. Die Multimodalmethode basiert darauf, das lokale Schallfeld in einem Wellenleiter variierender Dicke in einer Basis von geführten Wellenmoden eines korrespondierenden Wellenleiters konstanter Dicke darzustellen. Der numerische Aufwand reduziert sich dadurch auf die Lösung der eindimensionalen Differenzialgleichungen, welche die Entwicklung der Koeffizienten im Modenspektrum entlang des Wellenleiters beschreiben. Nachdem das Schallfeld bestimmt wurde, kann der Lösung mit geringem Aufwand eine Zeitabhängigkeit hinzugefügt werden, was die Simulation der Ausbreitung von Ultraschallpulsen durch den Wellenleiter ermöglicht. In der vorliegenden Dissertation wird ein Multimodalansatz zur Bestimmung von Lamb-Moden in Platten nicht-konstanter Dicke auf andere Arten elastischer Wellenleiter, wie Vollzylinder und dickwandige Hohlzylinder, erweitert. Zur Vereinfachung der notwendigen Herleitungen wird dabei eine Einschränkung auf axialsymmetrische Moden getroffen. Die Ergebnisse werden durch Vergleich mit FEM-Simulationen validiert. Es wird gezeigt, dass der Multimodalansatz in Bezug auf die benötigte Rechenzeit potentiell große Vorteile gegenüber, auf der Finiten-Elemente Methode basierender, kommerziell verfügbarer Software bietet. Abschließend wird der Multimodalansatz in Hinblick auf mögliche zukünftige Anwendungen in Bezug auf Radsatzwellen bewertet. KW - Guided waves KW - Numerical simulations KW - Ultrasound KW - Nondestructive testing KW - Cylindrical structures KW - Geführte Wellen KW - Numerische Simulationen KW - Ultraschall KW - Zerstörungsfreie Prüfung KW - Zylinderstrukturen KW - Zylinder KW - Numerische Strömungssimulation KW - Ultraschallprüfung KW - Plattenwelle KW - Wellenausbreitung Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-41255 ER - TY - THES A1 - Langhof, Carsten T1 - Schalldämmung strukturierter Bleche T1 - Sound insulation of structured sheet metal N2 - Strukturierte Bleche besitzen eingeprägte, regelmäßige Beulungen und Geometrien, die ihre Biegesteifigkeit in einigen Bauteilachsen gegenüber glatten Blechen erhöhen. Somit bieten sie großes Potenzial für den Leichtbaueinsatz, etwa in der Fahrzeugtechnik oder der Luftfahrt. Jedoch hat diese erhöhte Steifigkeit einen nachteiligen Effekt auf die Schalldämmung. Nicht nur, dass bei Einsatz solcher Bleche mit ähnlicher Steifigkeit wie glatte Blechen eine Verringerung der Blechdicke und damit der flächenbezogenen Masse zu erwarten ist, auch da die strukturierten Bleche orthotrope Eigenschaften besitzen, verringert sich die Luftschalldämmung. Dies ist der Fall, da sich der Bereich der Koinzidenzfrequenzen, in dem das Schalldämmmaß vergleichsweise gering ist, über einen größeren Frequenzbereich erstreckt. Eine Möglichkeit, die Schalldämmung von leichten und steifen Wänden zu erhöhen, ist die Verwendung von Doppelwandkonstruktionen. Die hier betrachteten strukturierten Bleche aus Stahl der Dicke 0,5 mm, 0,7 mm und 1,0 mm besitzen eine sechseckige Wabenstruktur und eine etwa dreifach höhere Biegesteifigkeit gegenüber glatten Blechen gleicher Dicke. Die Strukturen sind parametrisiert durch ihre Schlüsselweiten, die Wabengrößen, von 33 mm, 43 mm und 51 mm. Weiterhin werden kleinere Variationen dieser Strukturgeometrien verwendet. In der vorliegenden Dissertation wird die Luftschalldämmung von Einfachwänden und von Doppelwänden aus glatten und aus strukturierten Blechen untersucht. Im Gegensatz zu den Kenntnissen über Vorhersage der Luftschalldämmung bei Einsatz von glatten Blechen ist diese Vorhersage für strukturierte Bleche nicht ohne Weiteres möglich. Es werden daher numerische Modellierungen und Berechnungen des Schalldämmmaßes dieser Konstruktionen mit der Finite-Elemente-Methode vorgestellt. In einem Fensterprüfstand erfolgte Messungen dieses Parameters an glatten und strukturierten Blechproben werden mit den Simulationsergebnissen verglichen. Ergänzend werden analytische Berechnungen zur Schalldämmung isotroper und orthotroper Platten durchgeführt. Der betrachtete Frequenzbereich erstreckt sich immer bis mindestens 10 kHz. Die Schalldämmung strukturierter Einfachwände verhält sich unterhalb eines gewissen Frequenzbereiches gleich dem einer glatten Wand, ab etwa 4 kHz tritt in ähnlicher Form bei allen Blechdicken und Schlüsselweiten eine Verringerung des Schalldämmmaßes von bis zu 15 dB auf, diese erstreckt sich bis in sehr hohe Frequenzen. In diesem Frequenzbereich ab 4 kHz aufwärts zeigen sich in der Modalanalyse der Bleche Moden einzelner Waben, die glatte Bleche nicht aufweisen. Auch die Wellenlängen der Biegewellen, die die Bleche in diesem Frequenzbereich ausbilden, besitzen Größenordnungen ähnlich der Wabengrößen. Neben der erhöhten Steifigkeit ist diese Übereinstimmung eine weitere Erklärung für die veränderte und verringerte Schalldämmung strukturierter Bleche. Doppelwände aus strukturierten Blechen zeigen einen ähnlichen Verlauf des Schalldämmmaßes, hier verringert sich die Schalldämmung gegenüber glatten Blechen um bis zu 25 dB. Die Ergebnisse der Simulationen und der Messungen stimmen dabei sehr gut überein und decken sich mit den analytischen Berechnungen. Darauf aufbauend werden Variationen der Schlüsselweite, der Strukturgeometrie, der Wabenhöhe, der Ausrichtung der Waben, des Werkstoffes durch Änderung der flächenbezogenen Masse sowie nur für Doppelwand Variationen des Wandabstandes, der Zwischenraumbedämpfung und der Verbindungsart der Schalen untersucht und die Ergebnisse diskutiert. Es zeigt sich, dass die Luftschalldämmung von Konstruktionen aus strukturierten Blechen berechenbar und somit vorhersagbar ist. N2 - Structured sheet metal has periodic embossed bumps and geometries that increase its bending stiffness in several component axes compared to flat sheet metal. Thus, it offers great potential in lightweight construction especially for automotive engineering and aerospace. However, the increased stiffness has an adverse effect on the sound insulation. Using such sheet metal having similar bending stiffness compared to flat sheet metal a decrease of the plate thickness and hence the mass per area is expected. As the structured sheet metal has orthotropic properties, the airborne sound insulation decreases, because the range, where the coincidence frequencies happen within and where the transmission loss is comparatively low, covers a larger frequency range. One option to increase the sound insulation of lightweight and stiff structures is to use double wall constructions. The regarded structured sheet metal made of steel, having a thickness of 0.5 mm, 0.7 mm and 1.0 mm, consists of hexagonal honeycomb structures and has a bending stiffness three times higher than flat sheet metal with the same thickness. The structure is parameterized by the bump diameter of 33 mm, 43 mm and 51 mm. Furthermore small variations of these geometries are applied. In this dissertation the airborne sound insulation of single and double wall constructions made of both flat and structured sheet metal is analyzed. Unlike the state of the art of predicting the sound insulation of flat sheet metal this prediction is not readily available. To this end numerical modeling and calculation of the transmission loss of these constructions using finite element method is presented. The results are benchmarked using practical measurements of different flat and structured specimen in a window test chamber. Additionally analytical calculations of the sound insulation of isotropic and orthotropic plates are carried out. The regarded frequency range always extends up to at least 10 kHz. The sound insulation of structured single walls shows a similar course compared to a flat single wall below a certain frequency range, above 4 kHz up to very high frequencies a decrease of the transmission loss occurs in an amount of up to 15 dB in a similar manner for all sheet thickness and bump diameter. Considering a modal analysis of the plates, mode shapes of single honeycomb structures occur that flat plates do not show in the frequency range above 4 kHz. Also the bending wave lengths occurring in this frequency range have the same dimensions as the bump diameter. Besides the increased bending stiffness this match is a further explanation of the deviating and decreased sound insulation of structured sheet metal. Double wall constructions made of structured sheet show a similar course of the transmission loss and the sound insulation decreases up to 25 dB compared to flat sheet metal. The simulation and the measurement results correspond with each other and match with the analytical calculation. Based on this, variations of the bump diameter, the structure geometry, the honeycomb height, the orientation of the honeycombs, the material by modification of the mass per area and in addition variations of the wall clearance, cavity damping and joints only for the double wall constructions are carried out and discussed. It is shown that the airborne sound insulation of constructions made of structured sheet metal is calculable and hence predictable. KW - Schalldämmung KW - Strukturierte Bleche KW - Double wall KW - Orthotropic plate KW - FEM KW - Structured sheet metal KW - Sound insulation KW - FEM KW - Orthotrope Platte KW - Doppelwand KW - Strukturiertes Blech KW - Schalldämmung Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-33984 ER - 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 -