Experimentelle Analyse und Reduktion aeroakustischer Schallquellen an einfachen Modellstrukturen

Experimental Analysis and Reduction of Aeroacoustic Sound using Simplified Model Geometries

  • Bedingt durch die stetige Zunahme des weltweiten Personen- und Güterverkehrs tritt strömungsinduzierter Schall, der durch die Umströmung von starren Körpern entsteht, immer mehr in den Vordergrund. Die an Originalmodellen durchgeführten Untersuchungen zur Lärmreduktion erweisen sich als sehr zeit- und kostenintensiv. Bestrebungen, numerische Simulationsmethoden hierfür einzusetzen, werden durch die bislang eingeschränkte Validierung der verwendeten Programme mittels experimenteller Untersuchungen sowie durch den immer noch hohen Zeitaufwand der numerischen Strömungs- simulation begrenzt. Zur Lösung dieser Probleme wird deshalb in dieser Arbeit der folgende Ansatz verwendet. Die im Original aBedingt durch die stetige Zunahme des weltweiten Personen- und Güterverkehrs tritt strömungsinduzierter Schall, der durch die Umströmung von starren Körpern entsteht, immer mehr in den Vordergrund. Die an Originalmodellen durchgeführten Untersuchungen zur Lärmreduktion erweisen sich als sehr zeit- und kostenintensiv. Bestrebungen, numerische Simulationsmethoden hierfür einzusetzen, werden durch die bislang eingeschränkte Validierung der verwendeten Programme mittels experimenteller Untersuchungen sowie durch den immer noch hohen Zeitaufwand der numerischen Strömungs- simulation begrenzt. Zur Lösung dieser Probleme wird deshalb in dieser Arbeit der folgende Ansatz verwendet. Die im Original auftretenden Schallquellen werden zuerst auf verein- fachte Modellstrukturen abstrahiert. Dies ermöglicht auch eine getrennte Unter- suchung verschiedener Effekte. Anschließend werden Gestaltungsrichtlinien zur Reduzierung tonaler aeroakustischer Schallquellen anhand eines wandmontierten Vierkantzylinders sowie zur Verringerung von breitbandigen strömungsinduzier- ten Schallquellen anhand einer vorwärtsspringenden Stufe abgeleitet. Als Werkzeug dient hierfür ein im Rahmen dieser Arbeit aufgebauter Aero- akustik-Windkanal, der in einen reflexionsarmen Raum integriert ist. Zusätzlich werden Messverfahren der Strömungsmechanik und der Akustik implementiert, wobei der Schwerpunkt auf der Anwendung von Korrelationsverfahren zur indi- rekten Schallquellenortung liegt. Zur direkten Lokalisierung wird ein eigenent- wickeltes Mikrofonarray eingesetzt. Als Ergebnis dieser Arbeit liegen nun Gestaltungsrichtlinien zur deutlichen Reduktion tonaler sowie breitbandiger str¨omungsbedingter Schallquellen an Bau- teilen vor, die sich auf die untersuchten Modellstrukturen zurückführen lassen. Des Weiteren zeigt sich, dass eine ausschließliche Minderung des Strömungswi- derstandes nicht ausreicht, um tonale Schallquellen, die mit der Bildung einer Wirbelstraße verbunden sind, zu verringern. Bei reinen breitbandigen Schallquel- len führt jedoch eine Widerstandsreduktion auch zu einer entsprechenden Schall- abnahme. Es erweist sich gleichfalls als günstig, die turbulente kinetische Energie gleichmäßig auf die einzelnen Geschwindigkeitskomponenten zu verteilen. Die Validierungsdaten des Strömungs- und des induzierten Schallfeldes der beiden Referenzstrukturen können zur Überprüfung numerischer Verfahren oder experimenteller Untersuchungen im Bereich der Aeroakustik verwendet werden.show moreshow less
  • Due to the increase of transportation of both passengers and goods, flow induced sound created by aircrafts, high-speed trains or motor vehicles is becoming more and more prevalent in everyday life. This type of sound is created solely by the flow around rigid objects and is found in many industrial appliances as well resulting in noise exposure and risking the degradation of public health. In order to obtain noise reductions investigations are often carried out using full-scale models which is very time-consuming and cost-intensive. Approaches using numerical simulation methods are restricted due to their limited validation with experimental results and the still time-consuming process of nDue to the increase of transportation of both passengers and goods, flow induced sound created by aircrafts, high-speed trains or motor vehicles is becoming more and more prevalent in everyday life. This type of sound is created solely by the flow around rigid objects and is found in many industrial appliances as well resulting in noise exposure and risking the degradation of public health. In order to obtain noise reductions investigations are often carried out using full-scale models which is very time-consuming and cost-intensive. Approaches using numerical simulation methods are restricted due to their limited validation with experimental results and the still time-consuming process of numerically simulating the underlying flow field. In order to solve these problems the following approach is taken. The flow induced sound sources present in the original models are abstracted into simpli- fied models allowing for the separate investigation of different physical effects. Subsequently, design guidelines for the reduction of both tonal and broadband flow induced noise are derived using respectively a wall mounted square cylinder and a forward facing step as test cases. To achieve these ends, an aeroacoustic wind tunnel is built in this work which is furthermore integrated into an anechoic chamber. Additionally, measurement techniques of fluid mechanics and acoustics are implemented focusing on corre- lation analysis for indirect source localization. For direct source localizations a microphone array is developed. As a result of this work design guidelines are now at hand allowing for the significant reduction of the kind of flow induced noise sources (both tonal and broadband) which can be attributed to the models investigated. Furthermore, it became evident that a reduction of pressure based drag does not necessarily lead to the reduction of tonal noise sources that are associated with vortex street formation. In regard to broadband aeroacoustic noise sources however, drag reduction results in noise reduction as well. Additionally, it is advantageous to undertake measures to evenly distribute the turbulent kinetic energy onto the different velocity components. Extensive data of both flow field and induced sound field are collected for the two test cases studied which are available for validation purposes.show moreshow less

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Metadaten
Author:Christian Hahn
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus-8469
Advisor: Reinhard Lerch (Prof. Dr. - Ing.)
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Year of Completion:2008
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Date of final exam:2008/01/22
Release Date:2008/02/26
Tag:Aeroakustik; Aeroakustik-Windkanal; Schallreduktion; vorwärtsspringende Stufe; wandmontierter Vierkantzylinder
aeroacoustic wind tunnel; aeroacoustics; forward facing step; wall-mounted square cylinder
SWD-Keyword:Akustische Messtechnik; Korrelation; Quadratischer Zylinder; Sensor-Array; Strömungsakustik; Strömungsmesstechnik
Institutes:Technische Fakultät / Technische Fakultät -ohne weitere Spezifikation-
Dewey Decimal Classification:Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / Ingenieurwissenschaften / Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
open_access (DINI-Set):open_access

$Rev: 13581 $