Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-6533
Main Title: Stochastisches Verfahren zur Simulation von Breitbandschall in Triebwerkfans
Translated Title: Stochastic method to simulate fan broadband noise
Author(s): Wohlbrandt, Attila
Advisor(s): Guérin, Sébastien
Ewert, Roland
Referee(s): Sarradj, Ennes
Enghardt, Lars
Delfs, Jan
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: de
Abstract: Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Anwendung des Random-Particle-Mesh-Verfahrens (RPM) zur Simulation von Fanbreitbandschall. Aus zeitgemittelten, turbulenten Größen erzeugt das Verfahren zeitabhängige Fluktuationen, die zur Vorhersage der Schallentstehung hinreichend sind. Es wird isotrope, freie Turbulenz in Form von divergenzfreien Geschwindigkeitsfluktuationen synthetisiert. Die Untersuchungen sind ohne Beschränkung der Allgemeinheit auf zwei Raumdimensionen beschränkt. Es wird ein hybrides Verfahren vorgeschlagen, das dem RPM-Verfahren eine Strömungslösung auf Basis der (U)RANS-Gleichungen voranstellt und eine zeitgleiche Ausbreitungsrechnung durch Lösen der linearisierten Euler Gleichungen im Zeitbereich vorsieht. Die freie Turbulenz wird störungsfrei in das Ausbreitungsgebiet einkoppelt; der eigentliche Schallentstehungsmechanismus ist so Teil der Ausbreitungsgleichungen. Um die Vergleichbarkeit des RPM-Verfahrens mit Messungen zu gewährleisten, wird ein effizientes Verfahren vorgestellt, das es erlaubt, realistische isotrope Spektren zu realisieren. Dieses Verfahren bedient sich der Superposition mehrerer Gauss-Spektren, um analytisch ein Zielspektrum zu realisieren. Dadurch wird die Beschränkung des RPM-Verfahren auf Gauss-Spektren aufgehoben. Das vorgeschlagene hybride Verfahren wird zunächst bei stationärer Anregung für die Vorhersage von Vorderkanteninteraktionsschall erfolgreich an der analytischen Lösung zur harmonischen und zur breitbandigen Turbulenz-Schaufel-Interaktion validiert. Die Erweiterung auf stochastisch realisierte Turbulenz wird in zwei Anwendungen für Vorderkanteninteraktionsschall -- ein lastfreies NACA0012-Profil und ein angestelltes NACA65(12)-10-Profil im Freistrahl -- nachgerechnet und erfolgreich gegen Messungen verglichen. Das bis dato stationäre Verfahren wird zur Anwendung auf Fans erweitert, wobei die Hintergrundströmung und die mittleren, turbulenten Größen sich periodisch ändern. Die resultierenden Fluktuationen sind damit zyklostationär. Die mittleren Größen werden hierfür aus einer URANS-Simulation entnommen. Durch das vorgestellte Verfahren können die Teilaspekte der Zyklostationarität einzeln untersucht werden. Ausgehend von einer Stromlinie in der Kanalmitte, wird die Statorschaufelreihe als 2D-Kaskade modelliert. Die Turbulenzsynthetisierung und CAA-Simulation erfolgen in 2D. Dadurch kann effizient die abgestrahlte Gesamtschallleistung des Breitbandschalls stromauf und stromab der Statorreihe vorhergesagt werden. Bei einer Validierung gegen Messungen am NASA SDT-Modellfan sind die Trends wiedergegeben und die Abweichungen der Schallleistung liegen innerhalb von 5 dB. Abschließend werden die einzelnen Effekte der Zyklostationarität hierarchisch und exemplarisch am DLR-UHBR-Fan untersucht. Es wird gezeigt, dass die Quellen zur Schallentstehung an den verschiedenen Statorschaufeln unkorreliert sind. Wird in der Kaskade nicht die volle Schaufelanzahl berücksichtigt, werden im Spektrum Cut-on-Frequenzen sichtbar. Davon abgesehen, sind die Pegel und der Trend des Spektrums einer vollen Kaskade wiedergegeben. Der Einfluss der Zyklostationarität auf die mittleren akustischen Spektren scheint vernachlässigbar, obwohl die Zeitsignale sich deutlich unterscheiden. Ausschließlich die Berücksichtigung der periodischen Hintergrundströmung ändert das Spektrum signifikant. Ursachen dafür werden diskutiert, aber können nicht abschließend geklärt werden.
This thesis deals with the application of the Random-Particle-Mesh (RPM) method for fan broadband noise predictions. The RPM method generates time-varying turbulent fluctuations on the basis of time-averaged turbulent characteristics. These fluctuations are fully sufficient for the prediction of acoustic noise. Free, isotropic turbulence is synthesised as divergence free velocity fluctuations. Without loss of generality the investigations in the thesis are restricted to two spacial dimensions. A hybrid method is proposed, which complements the RPM method by a preceding flow solver, solving the (U)RANS equations, and a synchronous CAA solver, solving the linearised Euler equations in time domain. Two robust coupling methods of the synthesised fluctuations into the CAA domain are used. The fluctuations are noiselessly coupled as free turbulence upstream of the source region. In this way the sound generation mechanisms are part of the CAA. An efficient method, realising realistic isotropic spectra, is derived to achieve comparability with measurements. This method utilises a superposition of multiple Gaussian spectra to analytically realise a target spectrum. In this way the limitation of the RPM method to Gaussian spectra is removed. Initially the suggested hybrid method is applied for stationary excitation. The leading edge noise due to the impingement of harmonic and broadband gusts onto an infinitely-thin, finite-long airfoil is successfully predicted and validated by the analytical solution. Two isolated-airfoil applications for leading edge noise -- an unloaded NACA0012 profile and a loaded NACA65(12)-10 profile in a free stream -- are recomputed and successfully compared to the measurements. The stationary method is extended to the application on fans by taking the periodic variation of the background flow and of the mean turbulent characteristics into account. The resulting fluctuations are therefore cyclostationary. The periodic mean values are taken from a URANS simulation. The presented method allows to investigate the different aspects of cyclostationarity separately. Based on a streamline in the duct centre a stator blade row is modelled as a 2D cascade. The turbulence synthetisation and CAA simulation are carried out in 2D. This allows to efficiently predict the radiated acoustic power of the broadband noise upstream and downstream of the stator blade row. A validation against measurements of the NASA-SDT fan reproduces the trends. The deviation of the sound power levels are within 5 dB. Finally the different effects of the cyclostationarity are hierarchically and exemplarily investigated on the DLR-UHBR fan. It is shown that the sound sources at the different stator blades are uncorrelated. If not all stator blades are taken into account in the cascade, cut-on frequencies can be identified in the spectrum. Apart from that the levels and trends are reproduced by the reduced cascade. The influence of the cyclostationarity on the average acoustic spectra appears negligible even though the time signal differ significantly. Solely the consideration of the periodic background flow changes the spectrum significantly. Reasons are discussed, but cannot be concluded so far.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de//handle/11303/7257
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-6533
Exam Date: 10-Oct-2017
Issue Date: 2017
Date Available: 8-Dec-2017
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
519 Wahrscheinlichkeiten, angewandte Mathematik
Subject(s): Triebwerksakustik
Breitbandschall
hybride Verfahren
synthetische Turbulenz
digitale Filterung
stochastische Quellen
engine acoustics
broadband noise
hybrid method
synthetic turbulence
digital filtering
stochastic sources
CFD
CAA
Random Particle Mesh
RPM
License: http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
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