Schallentstehung durch turbulente Zuströmung an aerodynamischen Profilen

Noise generation from airfoils in a turbulent inflow

  • 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 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.show moreshow less
  • 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 anThe 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.show moreshow less

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Metadaten
Author:Giesler, Jens
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus-22861
Advisor:Prof. Dr.-Ing. Sarradj, Ennes
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Year of Completion:2011
Date of final exam:2011/08/23
Release Date:2011/11/02
Tag:Aeroakustischer Windkanal; Modellbildung; Schallentstehung durch turbulente Zuströmung; Vorderkantenschallmodelle; Zylinder-Profil-Konfiguration
Aeroacoustic wind tunnel; Leading edge noise; Microphone array measurements; Noise prediction models; Rod airfoil configuration
GND Keyword:Schallerzeugung; Turbulente Strömung
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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