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Konventionelle CFD für strömungsakustische Optimierung

Authors:
Konventionelle CFD für strömungsakustische Optimierung
Frank Kameier*), Igor Horvat**), Klaus Becker***)
*)Fachhochschule Düsseldorf, Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik, Fachgebiet Strömungstechnik
und Akustik, Josef-Gockeln-Str. 9, 40474 Düsseldorf, Deutschland, Email: frank.kameier@fh-duesseldorf.de
**) Hako-Werke GmbH, Bad Oldesloe, ***)Fachhochschule Köln, Institut für Fahrzeugtechnik
Einleitung
Strömungsakustische Berechnungen stehen im Fokus einer
Reihe von Forschungsprojekten. In der industriellen Praxis
ist es bisher eher nicht möglich, die Schallabstrahlung
strömungsakustischer Quellen mit vertretbarem Aufwand zu
berechnen. Goldstein hat zwar bereits 1976 Grundlagen
dafür gelegt, die physikalischen Quellen und ihre Quell-
stärke müssen aber bekannt sein. Semiempirische Ansätze
helfen, die Größenordnung einer möglichen Schallaus-
breitung abzuschätzen.
Zur konstruktiven Verbesserung technischer Anwendungen
ist es aber bereits möglich, konventionelle CFD-Rechnungen
durchzuführen, um die Strömungstopologie zu verstehen und
um Optimierungsansätze zu entwickeln. Am Spalteffekt
axialer Strömungsmaschinen, einer Zylinder-Platte-Konfigu-
ration und der Staulippe eines Personenkraftwagens werden
Beispiele zeitlich unkontrollierter Berechnungen („Physical
Time Steps“ als automatische Vorgabe) mit kommerzieller
CFD-Software gezeigt, die sich auch mit akustischen
Messergebnissen bewerten lassen. Zunächst wird an Hand
einer Kalibrierungssimulation die Genauigkeit des Ver-
fahrens für stationäre Berechnungen unter Verwendung von
ANSYS Workbench betrachtet. Ein Ausblick auf eine
Grundlagenanwendung zu strömungsinduzierten Schwin-
gungen wird gegeben.
Kalibrierung des numerischen CFD Verfahrens
Zur Überprüfung der numerischen Berechnungsgenauigkeit
für stationäre Testfälle wird eine Messblende gemäß DIN
EN ISO 5167 (Abb. 1) zur Bestimmung von Massen- und
Volumenströmen simuliert. Der Vorteil dieses Testfalls ist,
dass zur Validierung kein Experiment durchgeführt werden
Abbildung 1: Numerische Berechnung einer Messblende
gemäß DIN EN ISO 5167 – experimentelle Validierung ist
ohne Experiment möglich.
muss, da sich sämtliche integrale Werte aus den Formeln der
DIN-Norm berechnen lassen. Ferner beinhaltet der Testfall
sowohl eine abgelöste Wandgrenzschicht als auch eine
Strömungsablösung an einer scharfen Kante. Die Ver-
netzung erfolgt mit dem automatischen Netzgenerator für
Tetraeder-Netze unter ANSYS Workbench. Die Rohrwand
wird mit einer sogenannten Inflation Layer belegt, die für
eine feinere Berechnung in Wandnähe sorgt, um dem
logarithmischen Wandgesetz zu genügen. Verwendet wird
des Weiteren das Shear-Stress-Transport Turbulenzmodell,
das selbständig die wandnahe Strömungsberechnung mit
dem k-
ω
-Modell und die Kernströmung mit dem k-
ε
-Modell
schließt. Bei 10 Millionen Elementen ergibt sich somit eine
Berechnungsgenauigkeit für eine inkompressible Strömung
von ± 3 % oder einem absoluten Fehler von 6 % zum DIN-
Experiment.
Beispiele von Strömungsberechnungen im
Kontext von Strömungstechnik und Akustik
Bereits 2004 hat Haukap [1] den Spalteffekt einer axialen
Strömungsmaschine mit CFX Task-Flow, das mittlerweile in
ANSYS Workbench integriert ist, berechnet. Das für den
akustischen Spalteffekt entscheidende Sekundärströmungs-
gebiet stromauf des Laufrades tritt nur bei genügend weitem
Spalt auf, vgl. Abb. 2. In den 90er Jahren waren umfang-
reiche Experimente mit Hochgeschwindigkeitskamera zur
Strömungssichtbarmachung notwendig, um zu dem in
Abb. 1 gezeigten Kenntnisstand zu gelangen. Die akustische
Verstärkung bei Öffnung des Kopfspaltes ist assoziiert mit
der in Abb. 5 gezeigten Wirbelinteraktion.
Abbildung 2: CFX-Simulation des Spalteffekts axialer
Strömungsmaschinen aus dem Jahr 2004 [1].
Kleiner S
p
alt
Großer S
p
alt
Wagner nutzt in [2] eine CFD-Simulation zur Identifikation
der optimalen Messpositionen für Brüel&Kjær Oberflächen-
mikrofone Typ 4949 für eine experimentelle Untersuchung
zur Strömungsakustik der Staulippe an einem 3er BMW. Die
in Abb. 3 gezeigte Staulippe stromauf der Radkästen ist ein
akustisches Bauteil, deren Funktion erst durch die Arbeit
von Wagner vollständig geklärt wird [2], [4].
Abbildung 3: Staulippe an einem 3er BMW, vgl. [2], [4].
Die Messungen mit den Oberflächenmikrofonen ergeben
Aufschluss zu Frequenzkomponenten und Ausbreitungs-
geschwindigkeiten instationärer Phänomene. Hingegen kann
mittels der Strömungssimulation und der Darstellung von
Wirbelzöpfen gemäß dem Q-Kriterium deutlich gemacht
werden, welches Strömungsphänomen (hier ein Wirbelzopf)
für eine schlechte Innenraumakustik verantwortlich ist, vgl.
Abb. 4. Der messtechnisch ermittelten akustischen Wirkung
wird durch die CFD-Simulation als physikalische Ursache
ein Wirbelzopf, der sich auf die Karosserie im Bereich der
Tür bewegt, zugeordnet.
Abb. 5 zeigt die Strömungssimulation einer Zylinder-Platte-
Konfiguration, wie Sie auch von [4], [5], [6] behandelt wird.
Bei einem Abstand zwischen Zylinder und Platte von einer
aerodynamischen Wellenlänge, definiert als die konvektive
Geschwindigkeit der Kármánschen Wirbelstraße bezogen
auf die Wirbelablösefrequenz, ergibt sich eine massive
Verstärkung des Schalldruckpegels von mehr als einer
Größenordnung (> 20 dB). Ist der Zylinder einseitig
eingespannt, tritt nur bei einem Abstand von genau einer
Wellenlänge eine strömungsinduzierte Schwingung auf. Da
die Schwingung nur bei vorhandener Platte zu beobachten
ist, handelt es sich um eine klassische Feedback-Loop-
Konfiguration.
Zusammenfassung
Zur Klärung der physikalischen Ursachen von
strömungsinduzierten Geräuschen waren in der Vergangen-
heit aufwändige Methoden zur Visualisierung von Strö-
mungen sehr hilfreich. Mittels vergleichsweise einfacher und
automatisierter stationärer CFD-Berechnungen unter
ANSYS Workbench auf einem PC (8 GByte, 1 Prozessor
2,4 GHz) lassen sich weitaus aussagekräftigere Strömungs-
topologien bestimmen, als dies mit experimentellen
Methoden möglich ist. Das grundsätzliche Vorgehen und die
Genauigkeit des CFD-Verfahrens wurde anhand der Simu-
lation einer Messblende nach DIN EN ISO 5167 erprobt, für
die keine experimentelle Validierung notwendig ist.
Abbildung 4: ANSYS Workbench Simulation eines PKW
Radkastens mit und ohne Staulippe, Darstellung des
Q-Kriteriums [2], [4].
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
7,00
8,00
1,5 Mil lionen Element e
Karman
ßeWirbelstra
f
c
=λ
Abbildung 5: ANSYS Workbench Simulation einer Zylinder-
Platte-Konfiguration, vgl. auch [5], [6], [7].
Literatur
[1] Haukap, C.: Zur Korrelation von Schaufelschwingungen
und rotierenden Strömungsphänomenen in Axial-
verdichtern, Dissertation, TU München, 2005.
[2] Wagner, T.: Experimentelle und numerische Unter-
suchung zur Strömungsakustik der Staulippe eines 3er
BMWs. Master Thesis, Fachhochschule Düsseldorf,
2008.
[3] Kameier, F.: Horvat, I.; Wagner, T.; Ullrich, F.:
Experimental and numerical investigation of the air dam
aeroacoustics, In: ATZ 7-8 (2009), S. 562 - 567.
[4] Winkler, M.; Becker, K.; Kameier, F.: Experimentelle
Untersuchung von Einflüssen auf die Strömungsakustik
einer Zylinder/Platte-Konfiguration, DAGA 2010.
[5] Kornhaas,M.; Sternel, D.C.: Ein integrierter Code zur
Simulation strömungsinduzierten Lärms im Nahfeld,
DAGA 2010.
[6] Sternel, D.C.; Kornhaas, M.: Gekoppelte Simulation von
Strukturbewegung, Akustik und Strömungsfeld, DAGA
2010.
Stauli
pp
e
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Die Staulippe befindet sich an Fahrzeugen unterschiedlicher Automobilhersteller am Unterboden jeweils vor den Rädern. Ihre akustische Wirkung im Fahrzeuginnenraum wird im Rahmen einer Untersuchung der FH Düsseldorf und BMW mit Druckschwankungen an der Fahrzeugau:sBenseite korreliert, um den Ent stehungsmechanismus von Geräuschen und strömungsinduzierter Schwingungen bereits im Quellbereich besser zu verstehen. Für die Positionie rung der Wandmikrofone und für ein tieferes Verständnis der Strömungstopografie werden stationäre CFD-Rechnungen im Bereich des rotierenden Vorderrades durchgeführt.
Different vehicle manufacturers mount an air dam on the vehicle undercarriage just in front of the wheels. For better understanding of the noise generation mechanisms and flow induced vibrations directly at their source region, the acoustical effects in the interior of the vehicle will be correlated by the University of Applied Sciences Duesseldorf and BMW with the pressure fluctuations of the exterior of the vehicle. Steady state CFD calculations in the area of the rotating front wheel will be carried out for the positioning of the surface microphones and for a better understanding of the flow topology.
Article
Instationary flow in the tip region of the rotor of an axial compressor and the impact of the casing wall boundary layer are assumed to be the cause of the flow phenomena called rotating instabilities. With instationary, high resolution measurements of the wall and blade pressure, the rotating instabilities can be satisfactory detected at a singe stage low speed compressor. Further, the measurements show a good comparability to numerical investigations using a stationary and incompressible approach. Both, the measurements and the numerical investigations lead to a good correlation to investigate the flow close to the casing wall in the upstream region of the compressor rotor. In addition the flow direction in the clearance of the rotor could be identified to be an important indicator of the appearance of the effect. A methodology is introduced to evaluate the numerical investigations. The investigations provides further contribute to the understanding of the rotating instabilities whose physical cause are still not jet fully understood.
Ein integrierter Code zur Simulation strömungsinduzierten Lärms im Nahfeld
  • M Kornhaas
  • D C Sternel
Kornhaas,M.; Sternel, D.C.: Ein integrierter Code zur Simulation strömungsinduzierten Lärms im Nahfeld, DAGA 2010.
Experimentelle Untersuchung von Einflüssen auf die Strömungsakustik einer Zylinder/Platte-Konfiguration
  • M Winkler
  • K Becker
  • F Kameier
Winkler, M.; Becker, K.; Kameier, F.: Experimentelle Untersuchung von Einflüssen auf die Strömungsakustik einer Zylinder/Platte-Konfiguration, DAGA 2010.
Gekoppelte Simulation von Strukturbewegung
  • D C Sternel
  • M Kornhaas
Sternel, D.C.; Kornhaas, M.: Gekoppelte Simulation von Strukturbewegung, Akustik und Strömungsfeld, DAGA 2010.