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Main Title: Indirect combustion noise
Subtitle: Experimental investigation of the vortex sound generation in nozzle flows
Translated Title: Indirekter Brennkammerschall
Translated Subtitle: experimentelle Untersuchung der Wirbelschallentstehung in Düsenströmungen
Author(s): Kings, Nancy
Advisor(s): Bake, Friedrich
Peitsch, Dieter
Referee(s): Peitsch, Dieter
Bake, Friedrich
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät V - Verkehrs- und Maschinensysteme
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: In den letzten Jahren hat der Verbrennungslärm von Triebwerken zunehmend an Bedeutung gewonnen. Dieser besteht aus direktem Lärm, der simultan zum instationären Verbrennungsprozess auftritt, und indirektem Lärm. Bekannt ist, dass Entropieschall entsteht, der zum indirektem Lärm beiträgt, wenn die in der Brennkammer erzeugten Entropiefluktuationen in der nachfolgenden Turbine beschleunigt werden. Entsprechend der Charakterisierung einer Strömung durch die Störgrößen Druck, Entropie und Wirbelstärke lässt sich ebenfalls die Entstehung einer indirekten Schallkomponente durch beschleunigte Wirbelstärkefluktuationen vermuten. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Wirbelschallentstehungsmechanismus in einem Modellexperiment untersucht, welches die Brennkammer-Turbine Kombination von Triebwerken mit reduzierter Komplexität nachbildet. Wirbelstärkefluktuationen wurden künstlich, durch Drucklufteinblasung in drallfreie sowie drallbehaftete Rohrströmungen erzeugt, und es konnte der Nachweis für die Abstrahlung von Wirbelschall während deren Beschleunigung in einer konvergent-divergenten Düse erbracht werden. Die räumliche und zeitliche Änderung des Strömungsfeldes wurde mittels Hitzdraht-Anemometrie Messungen stromauf der Düse erfasst und die erzeugten Schallwellen stromab davon detektiert. Für verschiedene, mit Störungen beaufschlagte Strömungsfelder konnte die Identifizierung und Trennung von direktem Schall und Wirbelschall erreicht werden. Neben der Abhängigkeit von der Amplitude der Wirbelstärkeschwankung, mit der Zunahme der eingeblasenen Druckluftmenge in die mittlere Strömung erhöht sich der Wirbelschall im Fall einer gesperrten Düse, konnte nachgewiesen werden, dass die Drallintensität der mittleren Strömung ein weiterer Einflussparameter dieses indirekten Schallentstehungsprozesses ist. Neben der Schallerzeugung durch die Beschleunigung einer dominanten, künstlich generierten Wirbelstruktur, wurde der abgestrahlte Breitbandschall einer beschleunigten Rohrströmung untersucht. Mit einem linearen Theorieansatz wurden die Änderungen in den Schwankungsgrößen der Geschwindigkeitskomponenten durch die Beschleunigung abgeschätzt. Der gekoppelte Einfluss des Strömungsfeldes stromauf der Düse und dessen Änderung durch den aufgeprägten mittleren Strömungsgradienten zeigen eine deutlichen Effekt auf den Wirbelschall und damit auf den indirekten Schallentstehungsmechanismus.
In recent years combustion noise of aero-engines has gained in importance. The latter consists of direct noise, related to the unsteady combustion process itself, and indirect noise. As known, entropy noise, contributing to indirect noise, is produced when entropy fluctuations originating from the combustor are accelerated through the turbine. According to the characterisation of a flow by pressure, entropy and vorticity perturbations, accelerated vorticity fluctuations are likewise expected to generate an indirect noise component. Within this work, the vortex sound generation mechanism was studied in a model experiment simplifying the combustor-turbine combination of aero-engines. Vorticity fluctuations were generated artificially by air-injection into swirl free as well as swirling tube flows and the proof of the emission of vortex sound during their acceleration in a convergent-divergent nozzle could be provided. The spatial and temporal change of the velocity field was determined with Hot-Wire Anemometry measurements upstream of the nozzle and the produced acoustic waves were detected downstream of it. For various flow fields imposed with perturbations the identification and separation of direct and vortex sound was achieved. Beside the dependency on the vorticity fluctuation amplitude, increasing the air-injection into the mean flow augments the vortex sound in case of a choked nozzle, the swirl intensity of the mean flow was figured out as a further parameter for this indirect sound generation process. In addition to the sound generation caused by the acceleration of a predominant, artificially produced vortex structure, the broadband noise emission of an accelerated tube flow was studied. With a linear theory approach, the alterations of the fluctuating velocity components through the acceleration were estimated. The coupled influence of the flow field upstream of the nozzle and of its occurring changes due to the imposed mean flow gradient revealed a significant effect on the vortex sound and therewith on the indirect noise generation mechanism.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-67598
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4803
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4506
Exam Date: 17-Dec-2014
Issue Date: 25-Jun-2015
Date Available: 25-Jun-2015
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Aeroakustik
Düsenströmung
Indirekter Brennkammerschall
Wirbelschall
Wirbelwellengenerator
Aeroacoustics
Idirect combustion noise
Nozzle flow
Vortex sound
Vorticity wave generator (VWG)
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