Trailing edge noise generation of porous airfoils

Schallentstehung an der Hinterkante poröser Tragflügelprofile

  • 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 procThe 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.show moreshow less
  • 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 MiDie 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.show moreshow less

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Metadaten
Author:Geyer, Thomas
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus-22855
Advisor:Prof. Dr.-Ing. Sarradj, Ennes
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2011
Date of final exam:2011/08/18
Release Date:2011/10/21
Tag:Längenbezogener Strömungswiderstand; Mikrofonarray; Minderung Hinterkantenschall; Poröse Tragflügelprofile; Schallvorhersagemodell
Air flow resistivity; Microphone array; Porous airfoils; Trailing edge noise prediction model; Trailing edge noise reduction
GND Keyword:Schallerzeugung; Tragflügel
Institutes:Fakultät 3 / FG Technische Akustik
Institution name at the time of publication:Fakultät für Maschinenbau, Elektrotechnik und Wirtschaftsingenieurwesen (eBTU) / LS Technische Akustik

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