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Aeroacoustic transfer of leading edge serrations from single aerofoils to low-pressure fan applications

Strömungsakustischer Transfer von Leading Edge Serrations an einzelnen Tragflügeln hin zu Niederdruck-Axialventilatoren

  • Leading edge serrations are well-known for their aeroacoustic potential in reducing aerofoil-turbulence interaction noise and are also associated with certain aerodynamic advantages. To prepare leading edge serrations for industrial application, two obstacles remain to be addressed. First is a combined analysis of the aeroacoustic and the aerodynamic performance of leading edge serrations to develop optimum designs. Second is the need to examine the transferability of the known effects of leading edge serrations from a single aerofoil to full rotors, which are considered to be the final area of application. This thesis aims to assist in the transfer of a well-investigated aerofoil with serrated leading edges from the rigid to the rotating domain. With this purpose, a single aerofoil type is selected and thoroughly analysed, experimentally and numerically, to generate a reliable data basis for aerodynamic performance and noise reduction capability. Aside from gathering information onLeading edge serrations are well-known for their aeroacoustic potential in reducing aerofoil-turbulence interaction noise and are also associated with certain aerodynamic advantages. To prepare leading edge serrations for industrial application, two obstacles remain to be addressed. First is a combined analysis of the aeroacoustic and the aerodynamic performance of leading edge serrations to develop optimum designs. Second is the need to examine the transferability of the known effects of leading edge serrations from a single aerofoil to full rotors, which are considered to be the final area of application. This thesis aims to assist in the transfer of a well-investigated aerofoil with serrated leading edges from the rigid to the rotating domain. With this purpose, a single aerofoil type is selected and thoroughly analysed, experimentally and numerically, to generate a reliable data basis for aerodynamic performance and noise reduction capability. Aside from gathering information on the overall performance, the spatial distribution of the noise sources is localised, and the spectral composition of the noise reduction is found to follow a clearly defined scaling law. Aerodynamically, generated vortices are found to be responsible for a complex three-dimensional separation mechanism of the leading edge serrations, causing a delay of stall. The generated data basis is then used to design low-pressure axial fans of minimum complexity by keeping the initially chosen aerofoil type. The experimentally identified noise reduction mechanisms for the serrated axial fans are found to be more diverse than the single aerofoil and highly dependent on the inflow conditions and the operation point of the fan. A highly similar pattern for the spectral scaling of the noise reduction supports the finding that at optimum operation conditions, the previously identified noise reduction mechanisms for the single aerofoils are transferable to the rotating domain. On the other hand, additional aerodynamic mechanisms are found to dominate the noise reduction for the instability region of the fan, also contributing to reduced blade-to-blade interaction effects. Moreover, the blade-tip leakage flow is altered by delaying the development of coherent structures. The next step towards a more general description of the aeroacoustic and aerodynamic dependencies is developing a comprehensive model based on artificial neural networks. This model allows a combined analysis of the aerodynamic and acoustic performance of rotors with serrated leading edges and shows an accurate prediction of the overall performance and the spectral composition of the radiated noise. It also enables the development of multi-objective optima for serration designs and motivates further studies into the generalisability of the observed trends. Furthermore, the developed model represents a feasible tool to create tailored serration designs for maximum efficiency in both aeroacoustics and aerodynamics, contributing to the development of future low-noise fans and rotating machinery.show moreshow less
  • Leading Edge Serrations sind hinlänglich für ihr Potential zur Reduktion von turbulenzinduziertem Schall bekannt. Ebenso können sie sich als aerodynamisch vorteilhaft erweisen. Mit dem Ziel, Leading Edge Serrations industriellen Anwendungen zugänglich zu machen, verbleiben primär noch zwei Hemmnisse. Zum einen die Notwendigkeit einer kombinierten Bewertung des aerodynamischen und des aeroakustischen Potentials mit dem Ziel der Identifikation optimaler Designansätze. Zum anderen sind Aussagen hinsichtlich der Übertragbarkeit der bekannten Schallreduktionsmechanismen von einem einzelnen Tragflügel hin zu rotierenden Strömungsmaschinen zu treffen, da letztere das finale Anwendungsgebiet von Leading Edge Serrations darstellen. Diese Arbeit zielt darauf ab, bei dem Transfer eines umfassend analysierten Tragflügeldesigns mit Leading Edge Serrations hin zu einem rotierenden System zu assistieren. Hierzu wird ein für spätere rotierende Anwendungen sinnvolles Tragflügelprofil gewählt undLeading Edge Serrations sind hinlänglich für ihr Potential zur Reduktion von turbulenzinduziertem Schall bekannt. Ebenso können sie sich als aerodynamisch vorteilhaft erweisen. Mit dem Ziel, Leading Edge Serrations industriellen Anwendungen zugänglich zu machen, verbleiben primär noch zwei Hemmnisse. Zum einen die Notwendigkeit einer kombinierten Bewertung des aerodynamischen und des aeroakustischen Potentials mit dem Ziel der Identifikation optimaler Designansätze. Zum anderen sind Aussagen hinsichtlich der Übertragbarkeit der bekannten Schallreduktionsmechanismen von einem einzelnen Tragflügel hin zu rotierenden Strömungsmaschinen zu treffen, da letztere das finale Anwendungsgebiet von Leading Edge Serrations darstellen. Diese Arbeit zielt darauf ab, bei dem Transfer eines umfassend analysierten Tragflügeldesigns mit Leading Edge Serrations hin zu einem rotierenden System zu assistieren. Hierzu wird ein für spätere rotierende Anwendungen sinnvolles Tragflügelprofil gewählt und sowohl experimentell als auch numerisch umfassend untersucht, um eine Datenbasis des aerodynamischen und aeroakustischen Potentials zu generieren. Neben Informationen über die globalen Eigenschaften, wurde ebenfalls die räumliche Lage der Schallquellen lokalisiert. Zudem konnte der Verlauf des spektralen Schallreduktionsvermögens einer klaren Gesetzmäßigkeit zugeordnet werden. In Bezug auf die Aerodynamik wurden Wirbelstrukturen, welche sich an den Leading Edge Serrations bilden, als ursächlich für einen komplexen dreidimensionalen Ablösemechanismus identifiziert, welcher eine verzögerte Strömungsablösung bewirkt. Unter Beibehaltung des gewählten Tragflügelprofils wurde die generierte Datenbasis in einem zweiten Schritt zur Auslegung von axialen Niederdruckventilatoren niedriger Komplexität genutzt. Die hier experimentell identifizieren Schallreduktionsmechanismen sind, im Vergleich zu einem einzelnen Tragflügel, deutlich diverser und weisen eine klare Abhängigkeit vom Betriebspunkt des Ventilators sowie von den Einflussparametern auf. Unter optimalen Zuströmbedingungen kann eine klare Übertragbarkeit der Effekte vom ebenen in das rotierende System gezeigt werden. Im Gegensatz wird das Schallreduktionspotential im Instabilitätsbereich des Ventilators durch aerodynamische Strömungsphänomene dominiert, welche zudem zu einer vorteilhaften Beeinflussung von Schaufelinteraktionen beitragen. Des Weiteren wurde durch den Einsatz von Rotoren mit Leading Edge Serrations eine verzögerte Entstehung von kohärenten Strukturen im Blattspitzenbereich nachgewiesen. Um einen weiteren Schritt in Richtung einer globalen Beschreibung der erhaltenen aeroakustischen und aerodynamischen Abhängigkeiten zu gehen, wurde ein umfassendes Modell generiert, welches auf dem Training künstlicher neuronaler Netze beruht. Das generierte Modell ermöglicht eine kombinierte Prognose der aerodynamischen und aeroakustischen Performance der getesteten Prototypen und weist sowohl im Zeitbereich als auch hinsichtlich der spektralen Zusammensetzung der Signale eine hohe Prognosegüte auf. Dies ermöglicht die Definition multikriterieller Optima bezüglich des Serration Designs und motiviert weiterführende Studien hinsichtlich einer Generalisierbarkeit der beobachteten Trends. Schlussendlich ermöglicht das generierte Modell maßgeschneiderte Designansätze für eine maximale aerodynamische und aeroakustische Effizienz, was einen sinnvollen Beitrag zur zukünftigen Entwicklungen schallarmer Ventilatoren und Strömungsmaschinen darstellt.show moreshow less

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Metadaten
Author:Biedermann Till
Fachbereich/Einrichtung:Hochschule Düsseldorf / Fachbereich - Maschinenbau und Verfahrenstechnik
Document Type:Doctoral Thesis
Year of Completion:2019
Referee:Paschereit Christian Oliver, Oberleithner Kilian, Neef Matthias
Language:English
Publisher:Technische Universität Berlin
Place of publication:Berlin
Creating Corporation:Technische Univerität Berlin
Pagenumber:221
DOI:https://doi.org/10.14279/depositonce-9075
Date of final exam:2019/09/18
Tag:Aerodynamik; Niederdruck-Axialventilatoren; Strömungsakustik; Vorderkantenzacken; künstliche neuronale Netze
aeroacoustics; aerodynamics; artificial neural networks; leading edge serrations; low-pressure axial fan
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 62 Ingenieurwissenschaften / 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Licence (German):Creative Commons - CC BY - Namensnennung 4.0 International
Release Date:2019/10/28