Stochastic modelling of leading-edge noise in time-domain using vortex particles

Stochastische Modellierung des Tragflügelvorderkantenschalls in zeitlicher Auflösung mit der Vortex-Partikel-Technik

  • 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 backgroundThe 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.show moreshow less
  • 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 dieDie 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.show moreshow less

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Metadaten
Author: Sharma, SparshORCiD
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-50858
DOI:https://doi.org/10.26127/BTUOpen-5085
Referee / Advisor:Prof. Dr. Schmidt, Heiko, Prof. Dr. Sarradj, Ennes
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2019
Date of final exam:2019/12/17
Release Date:2020/03/16
Tag:Aeroakustik; Breitbandgeräusch; Tragflächengeräusch; Tragflügelvorderkantenschalls; Zeitbereich
Aeroacoustics; Airfoil-turbulence interaction; Broadband noise; Ffowcs-Williams Hawkings; Leading-edge noise
GND Keyword:Strömungsakustik; Tragflügel; Tragflügelumströmung; Vorderkante
Institutes:Fakultät 3 Maschinenbau, Elektro- und Energiesysteme / FG Aerodynamik und Strömungslehre
Licence (German):Keine Lizenz vergeben. Es gilt das deutsche Urheberrecht.