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Simulationsverfahren für Strömungen und Aero-Akustik

Numerische Strömungsmechanik (CFD) und Numerische Aeroakustik (CAA) zur Geräuschabschätzung


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Ein neues Verfahren zur aeroakustischen Geräuschbewertung wurde am Fraunhofer IBP eingeführt. Es handelt sich dabei um eine Simulationsstudie auf Basis der Numerischen Strömungsmechanik (computational fluid dynamics CFD) und der Numerischen Aeroakustik (computational aeroacoustics CAA). Die Numerische Strömungsmechanik (CFD) ist ein Werkzeug zur numerischen Simulation einer Strömung. Die Aeroakustik ist ein Teilbereich der Akustik, in dem ein von Strömungen erzeugtes Geräusch untersucht wird. In der Numerischen Aeroakustik (CAA) wird dieses Geräusch numerisch berechnet. Die Numerische Strömungsmechanik (CFD) wie auch die Numerische Aeroakustik (CAA) erfordern leistungsstarke Computer. Simulationen werden üblicheweise auf einem Cluster oder einer Workstation durchgeführt, die über Mehrfachprozessor-Zentraleinheiten verfügt, die parallel arbeiten.

 


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Ein aeroakustisches Geräusch wird durch das Zusammenwirken einer Strömung und eines Objektes erzeugt. Bei der CFD wird zunächst eine turbulente Strömung um das Objekt herum simuliert, um den Standort und die Spektren der Schallquellen zu bestimmen. Die inkompressiblen Navier-Stokes-Gleichungen werden numerisch gelöst duch die Annahme, dass die Strömungsgeschwindigkeit in ausreichendem Maß geringer ist als die Schallgeschwindigkeit. Für gewöhnlich werden dazu Turbulenzmodelle verwendet, wie z. B. Reynolds-gemittelte Navier-Stokes-Gleichungen(RANS) [1] oder Large Eddy Simulation (LES, dt.: Grobstruktursimulation) [2], [3]. Obwohl die Direkte Numerische Simulation (DNS) ohne jegliche Turbulenzmodelle versucht wird, stellt sie keine realistische Lösung dar: Sie erfordert enorme Computerleistungen, die bisweilen selbst die Leistungsfähigkeit der technisch am weitesten entwickelten Supercomputer übersteigt. Sobald die Schallquellen durch die Strömungssimulation identifiziert sind, wird der von den Schallquellen abgestrahlte Schall berechnet. Bei der Numerischen Aeroakustik (CAA) werden linearisierte akustische Wellengleichungen numerisch gelöst. Normalerweise wird dies in der Zeitdomäne durchgeführt, obgleich früher die Frequenzdomäne bevorzugt wurde. Die Finite-Differenzen- und Zeitdomäne-Methode (FDTD) ist zwar gegenwärtig die am häufigsten verwendete Methode, doch die Finite-Volumen- und Zeitdomäne-Methode (FVTD) wird dabei auch genutzt, damit auch die Fälle, in denen die Objekte komplexere Formen haben, untersucht werden können.

 


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Ein charakteristisches aeroakustisches Geräusch ist das Zischen, das durch eine Strömung um einen Zylinder erzeugt wird. Wir gehen davon aus, dass die Quelle für dieses Geräusch eine Turbulenz ist, die an einem Punkt auftritt, an dem sich die Strömung von der Zylinderoberfläche löst. Bild 1 zeigt das Ergebnis einer CFD-Simulation dieser turbulenten Strömung. In diesem Beispiel wird ein Zylinder mit einem Durchmesser von 30 cm in eine Strömung mit einer gleichförmigen Geschwindigkeit von 50 m/s gestellt. Wie bei den Iso-Oberflächen der turbulenten kinetischen Energie k (die Energie nimmt von blau nach rot zu) zu sehen ist, tritt Strömungsablösung und Turbulenz auf beiden Seiten des Zylinders auf. Der Druck, der im Hintergrund dieses Bildes farbig dargestellt wird, zeigt, dass die Strömung vor dem Zylinder stagniert und eine ganze Reihe von Wirbeln im Nachlauf der Strömung entsteht. Bild 2 zeigt den Druck auf der Oberseite (Druck 1) des Zylinders und den Druck auf der Unterseite (Druck 2). Diese schwanken abwechselnd, d.h. die erzeugte Schallquelle ist ein Dipol. Das Spektrum von Druck 1 impliziert, dass tieffrequente Komponenten bei ca. 40 bis 50 Hz und ein breitbandiges Rauschen erzeugt werden (Bild 3).

 

Eine CAA-Simulation zeigt, wie ein Schalldruckfeld oder Schall vom Zylinder abgestrahlt wird. Bild 4 zeigt den abgestrahlten Schall bei einer Frequenz. Aufgrund des Dipolcharakters ist die Abstrahlung nicht isotrop. Größere Schallabtrahlung senkrecht zur gleichförmigen Strömung sowie geringere Abstrahlung in paralleler Richtung sind zu beobachten. Der abgestrahlte Schall wird hier auf Basis der Curle-Gleichung [4] aus dem Druck simuliert, der auf die Zylinderoberfläche wirkt und bereits bei der CFD-Simulation bestimmt wurde. Bild 5 zeigt die Schallwellenform an einem Punkt 10 m vom Zylinder entfernt in senkrechter Richtung zur gleichförmigen Strömung. Das Spektrum (Bild 6) impliziert, dass tiefe Töne mit Pegeln größer als 90 dB erzeugt werden sowie ein breitbandiges Rauschen, das 20 dB geringer als diese Töne ist. Durch Anklicken dieses Bildes ist das simulierte Geräusch zu hören.

 

Auf dem Gebiet der aeroakustischen Geräuschabschätzung wurde die Forschung traditionsgemäß durch Experimente betrieben. Es ist allerdings sehr aufwendig, ein Problem experimentell zu untersuchen. Es sind nicht nur beträchtliche Anstrengungen bei Strömungs- und akustischen Messungen unternommen worden sondern auch bei der Reproduzierbarkeit eines speziellen Teils des relevanten Problems. Dabei dauert es für gewöhnlich mehrere Monate, ein maßstäbliches Modell eines Objektes vorzubereiten und zu bauen. Weitere Monate werden benötigt, um die Messungen durchzuführen, wodurch die Labore belegt sind. Wird eine Untersuchung aber vollständig mit einem Computer durchgeführt, würde dadurch viel Aufwand eingespart und eine optimierte Lösung könnte vorgelegt werden, indem eine Vielzahl von Varianten der Objektform geprüft werden kann. Wahrscheinlich schreitet aus diesem Grund heutzutage die Entwicklung der Numerischen Strömungsmechanik (CFD) und der Numerischen Aeroakustik (CAA) so schnell fort. Es ist zum jetzigen Zeitpunkt allerdings noch zu früh, die Experimente völlig durch Berechnungsmethoden zu ersetzen. Simulationsergebnisse können bisweilen variieren, in Abhängigkeit von verschiedenen Parametern, wie z. B. numerischen Algorithmen und Rechengittern. Um die Ergebnisse zu akzeptieren, müssen sie durch Experimente verifiziert werden. In dieser Hinsicht sind CFD und CAA immer noch in der Erforschung. Das gilt insbesondere für die CAA, die sich im Vergleich zur CFD noch nicht vollständig etabliert hat. Es gibt nicht viele Studien, die Schall abschätzen und vergleichbar zu dem wären, was wir tatsächlich aus den Strömungssimulationsergebnissen hörbar machen können. Diese Wissenslücke zu schließen, ist Schwerpunkt unserer Forschungsarbeit. Unter Verwendung von CFD und CAA in Verbindung mit traditionellen Experimenten arbeitet das Fraunhofer IBP an Lösungen für verschiedene aeroakustische Problemstellungen bei Maschinen, Fahrzeugen, Flugzeugen und anderen.

 

Literatur:

 

[1] D.C. Wilcox: Turbulence modeling for CFD, DCW Industries (1993).
[2] J.H. Ferziger: Large eddy numerical simulation of turbulent flows(1977), AIAA J., 15(9), 1261-1267.
[3] M. Lesieur; O. Metais: New trends in large-eddy simulations of turbulence (1996), Ann. Rev. Fluid Mech., 28, 45-82.
[4] N. Carle: The influence of solid boundaries upon aerodynamic sound (1955), Proc. Roy. Soc., London, Series A, 231, 505-514.