Sound emission of low-pressure axial fans under distorted inflow conditions

Schallabstrahlung von Niederdruck-Axialventilatoren bei gestörten Zuströmbedingungen

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:29-opus4-96018
  • The sound emission of low-pressure axial fans is substantially influenced by the fan blade geometry and the inflow conditions, induced by the fan installation system. However, the combined impact of these parameters has not yet been comprehensively investigated or understood. Hence the motivation for this thesis was to undertake a compact, systematic experimental study on the sound emission of axial fans with different blade geometry parameters under distorted inflow conditions. The impact of the fan blade design was investigated on the basis of nine fans with different blade loading distributions and different fan blade skew, but otherwise identical geometric parameters. Additionally,The sound emission of low-pressure axial fans is substantially influenced by the fan blade geometry and the inflow conditions, induced by the fan installation system. However, the combined impact of these parameters has not yet been comprehensively investigated or understood. Hence the motivation for this thesis was to undertake a compact, systematic experimental study on the sound emission of axial fans with different blade geometry parameters under distorted inflow conditions. The impact of the fan blade design was investigated on the basis of nine fans with different blade loading distributions and different fan blade skew, but otherwise identical geometric parameters. Additionally, the effectiveness of leading edge serrations in reducing axial fan noise was examined with a parametric study of a generic flat-plate fan and eleven sets of fan blades with leading edge modifications that included single-sine (sinusoidal), double-sine and random amplitude leading edge serrations. The inflow conditions were altered to incorporate either an increased inflow turbulence intensity or an inhomogeneous inlet velocity profile. These conditions were realised by grids - three turbulence grids and two velocity gradient grids - that were mounted upstream of the fans. A large increase in the sound radiation with elevated tonal and broadband components was observed with the modified inflow conditions. Thereby, the sound emission of the forward-skewed fans showed a greater susceptibility for distorted inflow conditions than that of the backward-skewed fans. It was found that owing to the fan blade shape, the forward-skewed fans are prone to higher unsteady blade forces and increased pressure fluctuations on the fan blade leading edges. These factors determine the tonal and broadband sound radiation. For the backward-skewed and unskewed fans, dominant subharmonic components, originating from flow phenomena in the tip region, occurred under both free and distorted inflow conditions. All types of leading edge serrations achieved a sound reduction compared with the reference fan with straight leading edges - for both free and distorted inflow conditions. The greatest reduction was observed for the sinusoidal leading edges, followed by the double-sine and random amplitude leading edges. The reduction was mainly dependent on the serration wavelength rather than the serration amplitude: the smaller the leading edge wavelength, the greater was the overall sound reduction. Overall, the investigations showed that the sound emission of low-pressure axial fans is highly dependent on the combined impact of the fan blade geometry and the inflow conditions. The findings contribute to a better understanding of the sound generation mechanisms in axial fans and show means for designing low-noise fans in complex cooling or ventilation systems.show moreshow less
  • Die Schallabstrahlung von Niederdruck-Axialventilatoren ist maßgeblich von der Ventilatorgeometrie und den aufgeprägten Zuströmbedingungen, die durch die Einbausituation des Ventilators induziert werden, abhängig. Die Auswirkungen dieser beiden Parameter wurden jedoch bisher nicht umfassend untersucht und vollständig verstanden. Deshalb war das Ziel dieser Arbeit, mit einer kompakten und systematischen experimentellen Studie den Einfluss verschiedener Ventilatorschaufelgeometrien auf die Schallabstrahlung von Axialventilatoren unter gestörten Einströmrandbedingungen zu untersuchen. Der Einfluss der Ventilatorschaufelgeometrie wurde anhand von neun Ventilatoren mit unterschiedlicherDie Schallabstrahlung von Niederdruck-Axialventilatoren ist maßgeblich von der Ventilatorgeometrie und den aufgeprägten Zuströmbedingungen, die durch die Einbausituation des Ventilators induziert werden, abhängig. Die Auswirkungen dieser beiden Parameter wurden jedoch bisher nicht umfassend untersucht und vollständig verstanden. Deshalb war das Ziel dieser Arbeit, mit einer kompakten und systematischen experimentellen Studie den Einfluss verschiedener Ventilatorschaufelgeometrien auf die Schallabstrahlung von Axialventilatoren unter gestörten Einströmrandbedingungen zu untersuchen. Der Einfluss der Ventilatorschaufelgeometrie wurde anhand von neun Ventilatoren mit unterschiedlicher Arbeitsverteilung und Schaufelsichelung bei ansonsten identischen Geometrieparametern untersucht. Zusätzlich wurde die Wirksamkeit von Vorderkantenmodifikationen zur Reduzierung der Schallabstrahlung von Axialventilatoren mit einer Parameterstudie ermittelt. Dazu wurde ein generischer Platten-Lüfter mit elf unterschiedlichen Vorderkantenmodifikationen verwendet. Die Modifikationen beinhalteten sinusförmige und zweifach überlagert sinusförmige Vorderkantengeometrien sowie Vorderkanten mit zufälligen Vorderkanten-Amplitude. Die Zuströmbedingungen wurden so eingestellt, dass einerseits der Turbulenzgrad erhöht war und andererseits ein inhomogenes Geschwindigkeitsfeld am Ventilatoreinlass vorlag. Diese Bedingungen wurden durch Gitter erzeugt - drei Turbulenzgitter und zwei Geschwindigkeitsgradientengitter. Die Gitter wurden dabei vom Ventilator aus gesehen stromaufwärts montiert. Die veränderten Zuströmbedingungen hatten einen ausgeprägten Anstieg der Schallemission zur Folge. Dabei waren sowohl tonale als auch breitbandige Komponenten erhöht. Es zeigte sich, dass vor allem die Schallabstrahlung der vorwärtsgesichelten Ventilatoren stärker durch die gestörten Zuströmbedingungen beeinflusst wird als die der rückwärtsgesichelten Ventilatoren. Es wurde nachgewiesen, dass bei vorwärtsgesichelten Ventilatoren bedingt durch die Geometrie der Ventilatorschaufel ausgeprägtere instationäre Schaufelkräfte sowie erhöhte Druckfluktuationen an der Schaufelvorderkante auftreten. Diese Faktoren bestimmen die tonale und breitbandige Schallabstrahlung. Bei den rückwärts- und ungesichelten Ventilatoren traten bei freier und gestörter Zuströmung subharmonische Schallkomponenten auf. Diese sind auf Strömungsvorgänge im Spaltbereich zurückzuführen. Bei den Vorderkantenmodifikationen zeigte sich, dass bei allen Ventilatoren mit veränderter Vorderkantengeometrie die Schallemission geringer war als beim Referenz-Ventilator mit gerader Vorderkante - sowohl bei freier also auch bei gestörter Zuströmung. Die größte Reduktion wurde durch sinusförmigen Vorderkanten erzielt, gefolgt von zweifach überlagert sinusförmigen Vorderkanten und Vorderkanten mit zufälligen Amplituden. Dabei war vor allem die Wellenlänge der modifizierten Vorderkanten der bestimmende Faktor (im Gegensatz zur Amplitude): je kleiner die Wellenlänge war, umso höher fiel die Verminderung der Schallabstrahlung aus. Insgesamt zeigten die Untersuchungen, dass die Schallemission von Axialventilatoren maßgeblich vom kombinierten Einfluss der Geometrie der Ventilatorschaufel und der Einströmrandbedingungen bestimmt wird. Die Ergebnisse tragen zu einem besseren Verständnis der Schallentstehungsmechanismen von Axialventilatoren bei und zeigen Möglichkeiten für die Entwicklung von geräuscharmen Ventilatoren für komplexe Kühl- und Belüftungssysteme auf.show moreshow less

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Metadaten
Author:Florian J. Krömer
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus4-96018
DOI:https://doi.org/10.25593/978-3-96147-089-1
ISBN:978-3-96147-089-1
Series (Volume number):FAU Forschungen, Reihe B, Medizin, Naturwissenschaft, Technik (20)
Publisher:FAU University Press
Place of publication:Erlangen
Referee:Stefan Becker, Stéphane Moreau
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2018
Embargo Date:2018/03/26
Publishing Institution:FAU University Press
Granting Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Date of final exam:2017/12/04
Release Date:2018/03/27
Tag:LDA; Turbomachinery; acoustics; aeroacoustics; aerodynamics; axial fan; beamforming; fluid mechanics; inflow conditions; laser Doppler anemometer; low-pressure; microphone array; sound emission
SWD-Keyword:Aerodynamik; Akustik; Axialventilator; Laser-Doppler-Anemometrie; Niederdruck; Schallabstrahlung; Strömungsakustik; Strömungsmaschine; Technische Akustik; Turbulente Strömung
Pagenumber:XVIII, 253 S.
Note:
Parallel erschienen als Druckausgabe bei FAU University Press, ISBN: 978-3-96147-088-4
Institutes:Technische Fakultät / Department Chemie- und Bioingenieurwesen
Dewey Decimal Classification:Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / Ingenieurwissenschaften / Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
open_access (DINI-Set):open_access
Collections:Universität Erlangen-Nürnberg / FAU University Press
Licence (German):Creative Commons - CC BY-ND - Namensnennung - Keine Bearbeitungen 3.0