Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4409
Main Title: Numerical and experimental investigations of the noise and performance characteristics of a radial fan with forward-curved blades
Translated Title: Numerische und experimentelle Untersuchung des Geräusch- und Betriebsverhaltens eines Trommelläufer-Ventilators
Author(s): Darvish, Manoochehr
Advisor(s): Paschereit, Christian Oliver
Frank, Stefan
Referee(s): Paschereit, Christian Oliver
Frank, Stefan
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät V - Verkehrs- und Maschinensysteme
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Radialventilatoren mit vorwärts gekrümmten Schaufeln, so genannte Trommelläufer-Ventilatoren, sind in der Automobilindustrie sowie in der Heizungs-, Klima- und Lüftungstechnik weit verbreitet. Ihr Vorteil liegt in den kleinen Abmessungen begründet. Nachteilig sind jedoch der relativ geringe Wirkungsgrad und die Schwierigkeit, die Kennlinie vorherzusagen. Trommelläufer erzeugen ein vergleichsweise niedriges Geräuschniveau, dennoch weisen sie ein großes Potenzial für akustische Verbesserungen auf. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Untersuchung des Geräuschverhaltens eines Trommelläufer-Ventilators. Dies setzt eine detaillierte Kenntnis seiner Aerodynamik voraus. Die experimentellen Schallpegelmessungen werden mit der Kanalmethode nach DIN 5136 durchgeführt. Darüber hinaus ist ein Großteil der Arbeit den numerischen Methoden gewidmet. Hierzu ist eine große Bandbreite verschiedener Turbulenzmethoden untersucht worden, welche die Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) und die Large Eddy Simulation (LES) einschließt. Die hierfür erzeugten numerischen Gitter weisen eine Zellanzahl zwischen zwölf und einhundert Millionen auf. Die erzielten numerischen Daten werden mit den experimentellen Messungen evaluiert. Des Weiteren wird untersucht, in wieweit sich die durchgeführten Simulationen eignen, die tonalen und breitbandigen Geräuschanteile vorherzusagen. Dabei kann eine große qualitative und quantitative Übereinstimmung zwischen numerischen und experimentellen Daten festgestellt werden. Die Simulationsergebnisse helfen, ein besseres Verständnis der zugrunde liegenden Mechanismen der Geräuscherzeugung zu erlangen. Dabei ist auch die Bedeutung der verschiedenen Ventilator-Komponenten bei der Schallerzeugung beleuchtet worden. Die Auswirkung unterschiedlicher Schaufelzahlen und des Schaufelaustrittswinkels ist numerisch analysiert worden. Es zeigt sich, dass beide Maßnahmen den tonalen Schallpegel beeinflussen. Die Veränderung des Schaufelaustrittswinkels scheint im Vergleich zur Änderung der Schaufelzahl jedoch weit weniger bedeutsam zu sein. Die Verminderung des Geräuschpegels durch Erzeugung einer Phasen-Verschiebung an der Gehäusezunge ist detailliert untersucht worden. Es wird gezeigt, wie die Phasen-Verschiebung mit Hilfe von gestuften Zungen erzeugt werden kann und wie diese die tonalen Geräuschanteile beeinflusst. Dabei sind die konstruktiven Möglichkeiten zur Erzeugung von Phasenverschiebungen durch experimentelle und numerische Parameterstudien analysiert worden. Es ist anzunehmen, dass die Ergebnisse dieser Arbeit nicht nur für Trommelläufer gelten, sondern weitgehend auch auf andere Radial-Ventilatoren übertragen werden können.
Forward-Curved (FC) blade fans are widely used in the automotive industry as well as in HVAC applications. This is due to the fact that FC fans have the smallest dimensions for any given ventilation task. However, the downside is that their efficiency is relatively poor and the prediction of the performance curve is still a major challenge. Although FC fans generate comparatively a lower level of noise, there is still a great potential to enhance their acoustic comfort. The main focus of this thesis is on investigation of the noise characteristics of a FC fan which demands an in-depth knowledge of its aerodynamic characteristics. The experimental noise measurements are performed by using the in-duct method in accordance with DIN/ISO 5136. Furthermore, a major part of the thesis is devoted to numerical simulations and computational methods. A wide range of turbulence modeling approaches including Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) and Large Eddy Simulation (LES) are investigated on numerical grids with total cell counts ranging from twelve to one hundred million. The numerical results obtained are compared against the experimental measurements, and the ability of the performed simulations to predict the tonal and broadband noise components of the fan is investigated. Numerical and experimental data is in very good agreement with each other. Furthermore, the simulation results helped to gain a better understanding of the underlying noise generation mechanisms, and to shed light on the role of different fan components in noise generated. The effects of changing the number of blades and the blade's outlet angle are numerically investigated. It is shown that changing the number of blades significantly affects the tonal noise level of the fan. However, changing the blade's outlet angle appears to be less effective. Reducing the noise level of the fan through a phase-shift generation at the cut-off (volute tongue) is also extensively investigated. It is shown, how stepped tongues help to generate a phase-shift and affect tonal noise level of the fan. The design parameters dominating the phase-shift generation capabilities of the stepped tongues are also addressed, and their effects are investigated by performing experimental measurements and numerical simulations. It is assumed that the findings of this thesis are not only valid for FC fans, but mostly can be applied to other radial fan types.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-65118
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4706
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4409
Exam Date: 26-Mar-2015
Issue Date: 23-Apr-2015
Date Available: 23-Apr-2015
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Trommelläufer-Ventilatoren
Kanalverfahren
Geräusch-Optimierung
numerische Simulationen
Turbulenzmodellierung
FC Fans
noise optimization
in-duct method
numerical simulations
turbulence modelling
Usage rights: Terms of German Copyright Law
Appears in Collections:Technische Universität Berlin » Fakultäten & Zentralinstitute » Fakultät 5 Verkehrs- und Maschinensysteme » Institut für Strömungsmechanik und Technische Akustik (ISTA) » Publications

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