Development and Verification of Computational Aeroacoustic Methods for Qualitative Analysis

Language
en
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2010-02-23
Issue Year
2009
Authors
Ali, Irfan
Editor
Abstract

This thesis describes hybrid numerical aeroacoustic methods to calculate acoustic sources and their propagation. The influence of geometry change on the flow around wall-mounted obstacles at low Mach number (Ma < 0.09) is investigated with respect to the generation of acoustic sources. The simulation methods employed are suitable in both two-dimensional and three-dimensional flows for flow around complex geometries. Three different hybrid computational aeroacoustic (CAA) methods described in the present thesis are implemented and used. These methods comprise the coupling of a fluid solver with Lighthill's analogy based on the finite element method to calculate acoustic sources and their propagation, acoustic prediction based on the linearized Euler equations and the Ffowcs Williams-Hawkings integral method. The implementation is validated with the help of numerical benchmarks and experimental data. The results show that the finite element method and the linearized Euler equations are advantageous for near-field acoustic problems. The Ffowcs Williams-Hawkings method is more suitable for far-field acoustic predictions. In the hybrid CAA method for the prediction of flow-induced sound, the acoustic sources are calculated based on the flow field data. The flow field is generated either by large eddy simulations using the in-house CFD code FASTEST-3D or by using the scale adaptive simulation in the commercial code ANSYS-CFX. The code FASTEST-3D is a regular block structured code and requires a large computational capacity and computational effort. Therefore, to investigate the influence of geometry changes on the generation of sound, the simulations were performed using the scale adaptive method, for which the computational costs were low and the prediction of acoustic sources for flow-induced noise was satisfactory. The propagated acoustic field can be classified into two categories, i.e. tonal and broadband in nature. Using this classification for the dominant part of the propagated acoustic field, for tonal nature, flow around a wall-mounted cylinder was investigated. Flow over a forward-facing step was investigated for the broadband sound case. In the case of the flow around a wall-mounted cylinder additional investigations were performed to study the influence of geometry changes on the flow field and the associated acoustic field. The results show that the optimization in terms of fluid mechanics which result in a reduction of drag does not necessarily result in a reduction in the propagated sound. The magnitude of the turbulent kinetic energy is found not to be directly proportional to the propagated sound. A good comparison was obtained between the simulations and experiments for the flow field and also for the resulting acoustic field. The thesis shows that the methods developed are suitable for aeroacoustic optimization studies and provide a good prediction of the flow induced sound.

Abstract

Inhalt der Arbeit bilden hybride, aeroakustische Methoden zur Berechnung der aeroakustischen Schallquellen und deren Schallabstrahlung. Untersucht wurde der Geometrieeinfluss auf die Umströmung verschiedener wandgebundener Hindernisse bei niedrigen Machzahlen (Ma < 0,09) und die damit verbundene Generierung der akustischen Quellterme. Die eingesetzten Berechnungsverfahren ermöglichen sowohl zweidimensionale als auch dreidimensionale Berechnungen des strömungsinduzierten Schallfeldes und sind auch für die Umströmung komplexer Geometrie einsetzbar. Drei unterschiedliche hybride CAA-Verfahren wurden in der vorliegenden Arbeit implementiert und angewandt. Diese umfassen die Kopplung der Strömungslöser mit einem auf der Lighthill-Analogie basierenden Finite-Elemente Verfahren für die Bestimmung der Quellterme und der Schallausbreitung, die Schallbestimmung auf Grundlage der linearisierten Eulergleichung sowie eine Ffowcs Williams-Hawkings Integralverfahren. Es erfolgt eine Validierung der Verfahren durch numerische Benchmarks und experimentelle Daten. Die Ergebnisse belegen, dass Finite Elemente Verfahren und linearisierte Eulergleichungen Vorteile besitzen bei der Analyse des akustischen Nahfeldes. Das Ffowcs Williams-Hawkings Verfahren findet verstärkte Anwendung in der Voraussage der Fernfeldakustik. In dem hybriden Ansatz für die Berechnung des strömungsinduzierten Schalls wurden im Strömungsbereich zur Bestimmung der akustischen Quellterme die Grundgleichungen numerisch unter Verwendung einer Large-Eddy-Simulation (LES) in dem Berechnungsprogramm FASTEST-3D bzw. durch Benutzung einer Skalen-Adaptiv-Simulation (SAS) in dem kommerziellen Programmpaket ANSYS-CFX gelöst. Der verwendete LES-Code basiert auf der Verwendung blockstruktrierter Berechnungsgitter und erforderte sehr hohe Rechnerkapazitäten und Simulationszeiten. Deshalb wurden für die Untersuchungen, die den Einfluss von Geometrieveränderungen der umströmteren Körper auf das Strömungs- und Schallfeld zum Inhalt haben, das SAS-Verfahren benutzt. Bei geringerem Rechneraufwand konnten hierbei zufriedenstellende Ergebnisse für die Bestimmung der Quellterme des strömungsinduzierten Schallfeldes erzielt werden. Die Beurteilung des abgestrahlten Schalls erfolgt in zwei Kategorien. Sie umfassten die tonale und die breitbandigen Schallanteile. Entsprechend der dominierenden Schallanteile wurden als vereinfachte Untersuchungsfälle für die tonale Schallabstrahlung die Umströmung eines an der Wand befestigten Zylinders betrachtet. Den Referenzfall für den breitbandigen strömungsinduzierten Schall bildete die Überströmung einer vorwärtsspringenden Stufe. Im Fall der Umströmung des Zylinders erfolgte eine zusätzliche Studie, die den Einfluss von Veränderungen der Zylindergeometrie auf das Strömungs- und Schallfeld berücksichtigt. Das Ergebnis zeigt, dass strömungsmechanische Optimierungen, die zu einer Reduktion des Widerstandes des umströmten Körpers führen, nicht zwangsläufig eine Verringerung des abgestrahlten Schalls zur Folge haben. Die Größe der turbulenten kinetischen Energie im Strömungsfeld kann für diesen Untersuchungsfall nicht in direkter Verbindung zum abgestrahlten Schallfeld gebracht werden. Ein Vergleich der numerischen Ergebnisse mit Experimenten ergab eine gute Übereinstimmung in den Ergebnissen für das Strömungsfeld aber auch in den Resultaten für das abgestrahlte Schallfeld. Die Arbeit zeigt, dass sich numerische Verfahren für aeroakustischen Optimierungsstudien anwenden lassen und eine gute Vorhersage des abgestrahlten strömungsinduzierten Schalls liefern.

DOI
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