Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3610
Main Title: Experimentelle Untersuchung aeroakustischer und strukturdynamischer Effekte an einer Zylinder/Platte-Konfiguration
Translated Title: Experimental investigation of aeroacoustic and structural dynamic effects for a cylinder/plate configuration
Author(s): Winkler, Michael
Advisor(s): Paschereit, Christian Oliver
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät V - Verkehrs- und Maschinensysteme
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Die Umströmung von stumpfen Körpern, die mit anderen Körpern stromab in Wechselwirkung treten, kann für eine erhebliche Schallentstehung verantwortlich sein. Aus diesem Grund ist ein fundiertes Wissen über die zugrundeliegenden, physikalischen Mechanismen erforderlich. Hierfür werden Grundlagenuntersuchungen an einer Konfiguration, bestehend aus einem Kreiszylinder und einer Platte in dessen Nachlauf, durchgeführt. Diese Zylinder/Platte-Konfiguration besitzt den Vorteil, dass trotz einer geringen geometrischen Komplexität viele akustische Effekte auftreten, die strukturiert erfasst und analysiert werden. Ein wesentlicher Effekt ist die massive Verstärkung der Schalldruckpegel durch das Hinzufügen der Platte in den Nachlauf des Zylinders. Die Mess- und Simulationsergebnisse zeigen, dass für den Anstieg der Schallentstehung die Schwankungen der Kräfte auf der Oberfläche der Platte verantwortlich sind. Des Weiteren gibt es Anhaltspunkte für eine strömungsakustische Resonanz zwischen Zylinder und Platte in Abhängigkeit von der Wirbeltransportgeschwindigkeit. Weder eine vibroakustische Schallabstrahlung der Platte, noch eine Rückwirkung bei überlagerter Beschallung der Strömung in Form eines Feedback-Mechanismus führen zu einer solchen Verstärkung der Schalldruckpegel. Das Auftreten der Verstärkung der Schalldruckpegel ist abhängig von dem Abstand zwischen Zylinder und Platte. Nur wenn der Abstand groß genug ist, kommt es zu einer periodischen Wirbelablösung am Zylinder und den daraus resultierenden großen Schwankungen der Kräfte auf der Oberfläche der Platte. Dieser kritische Abstand ist wiederum in nichtlinearer Weise von der Reynolds-Zahl abhängig. Ein weiterer, durch das Hinzufügen der Platte verursachter, Effekt ist die Verschiebung der Wirbelablösefrequenz in Abhängigkeit von der Position der Platte. Mit kleiner werdendem Abstand zwischen Platte und Zylinder nimmt die Wirbelablösefrequenz ab. Die dabei unter anderem stattfindende Änderung der Zylindernachlauflänge zeigt, dass die Platte den Bereich der Wirbelbildung direkt am Zylinder beeinflusst. Es kommt somit zu einer Stromaufwirkung der Platte auf den Zylinder. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen werden Möglichkeiten zur Beeinflussung des Auftretens der Schalldruckverstärkung untersucht. Es zeigt sich, dass das Auftreten nicht nur von dem Abstand zwischen Zylinder und Platte abhängig ist, sondern auch durch die Richtung, aus welcher der Abstand eingestellt wird, beeinflusst werden kann. Hieraus ergibt sich eine Hysterese der Schalldruckverstärkung. Das Verhalten der Hysterese wird durch den Turbulenzgrad der Anströmung beeinflusst. Je kleiner der Turbulenzgrad, desto größer ist der kritische Abstand zwischen Zylinder und Platte, ab dem es zur Schalldruckverstärkung kommt. Neben dem Turbulenzgrad wird auch eine Beeinflussung des kritischen Abstands durch eine externe akustische Schallquelle untersucht. Die Größe der Schalldruckverstärkung ist abhängig von der Reynolds-Zahl. Dabei gibt es zwei Bereiche in denen die Schalldruckverstärkung maximal wird. Dieses Verhalten wird anhand eines Modells beschrieben. Das Modell basiert auf der Hypothese, dass die Maxima des Verstärkungsfaktors mit einer Überlagerung der Schallwellen von Zylinder und Platte zusammenhängen. Es beschreibt eine strömungsakustische Resonanz zwischen Zylinder und Platte auf Basis der konvektiven Wirbelgeschwindigkeit.
The flow over bluff bodies, which interacts with other downstream bodies, can be the cause for substantial sound generation. A deep knowledge of the underlying physical mechanisms is therefore necessary. For this a fundamental research at a test configuration, consisting of a circular cylinder and a flat plate in its wake, is realized. Such a cylinder/plate-configuration has the advantage that despite a low geometrical complexity, many acoustic effects arise, which are measured and analyzed in a structured manner. A major effect is the substantial amplification of the sound pressure level by the insertion of the plate into the wake behind the cylinder. The measurement and simulation results show that the fluctuations of forces at the surface of the plate are the root cause for the sound amplification. Furthermore, there is an indication for an acoustic resonance between the cylinder and the plate as a function of the vortex convection speed. Neither a vibroacoustic sound generation nor an interaction between superimposed sound waves and the flow in terms of a feedback mechanism result in such a substantial sound pressure amplification. The occurrence of the sound pressure amplification depends on the distance between cylinder and plate. If this distance is large enough, vortices will shed from the cylinder in a periodic manner, which results in the high fluctuations of the forces at the surface of the plate. The critical distance for the sound pressure amplification depends on the Reynolds number by a nonlinear relationship. A further effect that is caused by the insertion of the plate in the wake of the cylinder is the shift of the vortex shedding frequency according to the relative position of the plate. There is a reduction of the vortex shedding frequency by a decrease of the distance between cylinder and plate. With this a change in the vortex formation length behind the cylinder is observed, which shows the influence of the plate on the vortex formation process next to the cylinder. There is an upstream influence of the plate on the cylinder. On the basis of the before mentioned results, possibilities to influence the occurrence of the sound pressure amplification are investigated. The measurement results show that the sound pressure amplification does not only depend on the distance between cylinder and plate, it can also be influenced by the direction in which the distance is varied. Because of this a hysteresis effect regarding the sound pressure amplification occurs. The hysteresis can be influenced by the turbulence of the incoming flow. The smaller the turbulence intensity, the larger is the critical distance for the sound pressure amplification. Additionally to the turbulence, the alteration of the critical distance by sound waves is also investigated. The strength of the sound pressure amplification depends on the Reynolds number. There are two regions of Reynolds numbers where the amplification reaches maximum values. A model for the description of this behavior is developed. The model is based on the hypothesis, that the maxima of the sound pressure amplification are related to a superposition of the sound waves from the cylinder and the plate. The model describes an aeroacoustic resonance of cylinder and plate on the basis of the vortex convection speed.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-39826
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/3907
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3610
Exam Date: 12-Nov-2012
Issue Date: 18-Jun-2013
Date Available: 18-Jun-2013
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Aeroakustik
Schalldruckverstärkung
Aeroacoustics
Soundpressure amplification
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/de/
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