Finite Element Simulation of Flow-Induced Noise using Lighthill's Acoustic Analogy

Finite Elemente Simulation von strömungsinduziertem Lärm nach Lighthills akustischer Analogie

  • The main focus of the present work is the numerical simulation of flow-induced noise using the Finite Element method (FEM). The CAA methodology introduced in this thesis follows a hybrid approach using the weak formulation of Lighthill's acoustic analogy. Therefore, the flow-induced noise is computed in a coupled two-step procedure. First of all, results from an incompressible unsteady flow simulation capable to resolve the turbulent scales responsible for the noise generation are used to compute acoustic source terms directly on the fine fluid grid. As a second step, after conservative interpolation of the acoustic nodal sources to the acoustic grid, the acoustic propagation is computed usiThe main focus of the present work is the numerical simulation of flow-induced noise using the Finite Element method (FEM). The CAA methodology introduced in this thesis follows a hybrid approach using the weak formulation of Lighthill's acoustic analogy. Therefore, the flow-induced noise is computed in a coupled two-step procedure. First of all, results from an incompressible unsteady flow simulation capable to resolve the turbulent scales responsible for the noise generation are used to compute acoustic source terms directly on the fine fluid grid. As a second step, after conservative interpolation of the acoustic nodal sources to the acoustic grid, the acoustic propagation is computed using the Finite Element method. The Finite Element derivation of the aeroacoustic problem is obtained by performing a volume discretization of the weak formulation of Lighthill's inhomogeneous wave equation. Therewith, reflections and diffraction of the generated acoustic waves due to the presence of solid/elastic bodies are implicitly taken into account. Unsteady flow computations following LES (Large Eddy Simulation) and SAS (Scale Adaptive Simulation) turbulence modelling approaches are used for the evaluation of the acoustic sources. For the validation of the implementation, numerical results of the acoustic pressure for the test case of a co-rotating vortex pair are compared against the corresponding analytical far-field solution. The applicability of the coupled numerical scheme is demonstrated by means of 2D and 3D examples, in both the time and frequency domain. Results from a 2D example of the flow-induced noise from a square cylinder is used to perform qualitative analyses and to estimate appropriate parameters to be able to perform 3D numerical simulations in an efficient way while preserving a good accuracy of the acoustic results. Finally, results are presented from 3D simulations of the noise generated by wall-mounted cylinders with two different geometry profiles.show moreshow less
  • Der Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit ist die numerische Simulation von strömungs-induziertem Lärm mit Hilfe Lighthills akustischer Analogie im Rahmen der Finiten-Elemente-Methode (FEM). Die CAA-Methode die in dieser Arbeit vorgestellt wird, basiert auf einem hybriden Verfahren, dass die schwache Formulierung von Lighthills akustischer Analogie verwendet. Dabei wird der strömungsinduzierte Lärm in zwei Schritten berechnet. Als erstes wird in einer imkompressiblen, instationären Berechnung, welche die für die Lärmerzeugung zuständigen turbulenten Skalen auflösen kann, das turbulente Strömungsfeld simuliert. Hierbei werden akustische Quellterme aus den Strömungsgrößen auf dem feinen StrömungDer Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit ist die numerische Simulation von strömungs-induziertem Lärm mit Hilfe Lighthills akustischer Analogie im Rahmen der Finiten-Elemente-Methode (FEM). Die CAA-Methode die in dieser Arbeit vorgestellt wird, basiert auf einem hybriden Verfahren, dass die schwache Formulierung von Lighthills akustischer Analogie verwendet. Dabei wird der strömungsinduzierte Lärm in zwei Schritten berechnet. Als erstes wird in einer imkompressiblen, instationären Berechnung, welche die für die Lärmerzeugung zuständigen turbulenten Skalen auflösen kann, das turbulente Strömungsfeld simuliert. Hierbei werden akustische Quellterme aus den Strömungsgrößen auf dem feinen Strömungsgitter errechnet. In einem zweiten Schritt wird die Simulation der Schallausbreitung mit den Quelltermen als Eingangsgröße durchgeführt. Die FE-Formulierung des Problems wird durch die Volumendiskretisierung von Lighthills akustischer Analogie in der schwachen Form erhalten. Hiermit können die Effekte von festen bzw. flexiblen Körpern auf die akustische Abstrahlung implizit miteinbezogen werden. Für die Auswertung der akustischen Quellterme werden instationäre Strömungsfelder verwendet, die aus LES (Large Eddy Simulation) und SAS (Scale Adaptive Simulation) Berechnungen erhalten werden. Für die Validierung der numerischen Implementierung, wird der strömungsinduzierte Lärm, der durch ein rotierendes Wirbelpaar verursacht wird, berechnet. Die numerischen akustischen Ergebnisse werden mit der entsprechenden analytischen Lösung verglichen. Die Anwendbarkeit der gekoppelten numerischen Methode wird anhand von 2D- und 3D-Beispielen, sowohl im Zeit- als auch im Frequenzbereich, demonstriert. Ergebnisse aus einen 2D Beispiel werden benutzt, um eine qualitative Analyse durchzuführen und um geeignete Simulationsparameter abzuschätzen. Zusätzlich werden gekoppelte 3D-Simulationen des Schallfeldes umströmter wand-fixierter Zylindergeometrien mit zwei unterschiedlichen Zylinderprofilen durchgeführt.show moreshow less

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Metadaten
Author:Max Escobar
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus-6728
Advisor:Manfred Kaltenbacher
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2007
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Date of final exam:2007/07/13
Release Date:2007/08/27
Tag:Perfectly Matched Layer; absorbierende Randbedingungen; akustische Analogie
Lighthill's acoustic analogy; computational aeroacoustics; computational fluid dynamics; finite element method; perfectly matched layer
SWD-Keyword:Finite-Elemente-Methode; Numerische Strömungssimulation; Strömungsakustik
Institutes:Technische Fakultät / Technische Fakultät -ohne weitere Spezifikation-
Dewey Decimal Classification:Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / Technik / Technik, Technologie
open_access (DINI-Set):open_access

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