Dissertations / Theses on the topic 'Aeroakustika'

Bezsíťové metody reprezentují alternativu ke standardním diskretizačním technikám, které pro svůj chod vyžadují síť. V posledních desetiletích bylo vynaloženo mnoho úsilí k ověření konkurenceschopnosti bezsíťových metod v různých inženýrských odvětvích. Diplomová práce je zaměřena na aplikaci vhodné bezsíťové metody ve výpočetní aeroakustice. Stěžejní část této práce se zabývá úlohami šíření zvuku, které lze modelovat pomocí linearizovaných Eulerových rovnic. Obecně lze tyto rovnice zařadit mezi lineární hyperbolické systémy. Pro úlohy aeroakustiky se jako vhodná bezsíťová metoda jeví Finite point method (FPM), která byla úspěšně použita pro řešení úloh dynamiky tekutin. Odvozením této metody a návrhy k dosažení vysoké přesnosti se věnuje další část práce. Úlohy šíření zvuku se známým řešením jsou testovány vlastním softwarem vyvinutým speciálně pro tyto účely.

Predicting and inhibiting aerodynamically generated noise for fast moving vehicles such as cars, aircraft and trains is increasingly important. The tonal noise generated by the shear-layer instability of air flowing around the cavity opening is especially one of the most significant and most intense sources of aerodynamically generated noise. Computational aeroacoustics (CAA) based on the CFD simulations of compressible Navier-Stokes equations offers the most general approach to predicting those aerodynamically induced sounds. Aeroacoustics is practically always associated with turbulent flow and turbulence is the major challenge for CFD simulations. Four different turbulence modelling approaches are examined in this work. Three of them belong to the LES method category and one uses the URANS approach. Appropriate numerical discretization and iteration schemes have been identified for each of these approaches and implemented in the OpenFOAM open source CFD platform. The accuracy, computational performance and convergence reliability of those schemes have been subsequently studied during three-dimensional CFD simulations on a model of a suitable real object. The CFD simulation results are validated by a measurement. An organ pipe has been chosen as the object of this CAA research because it uses self-sustained oscillations, commonly referred as shear-layer (Rossiter) modes, as the source of its tone generation. The numerical simulation of the shear layer modes, respectively the noise generated by instability in the shear layer, is the subject of this work.

Parciální diferenciální rovnice hrají důležitou v inženýrských aplikacích. Často je možné tyto rovnice řešit pouze přibližně, tj. numericky. Z toho důvodu vzniklo množství diskretizačních metod pro řešení těchto rovnic. Uvedená nespojitá Galerkinova metoda se zdá jako velmi obecná metoda pro řešení těchto rovnic, především pak pro hyperbolické systémy. Naším cílem je řešit úlohy aeroakustiky, přičemž šíření akustických vln je popsáno pomocí linearizovaných Eulerových rovnic. A jelikož se jedná o hyperbolický systém, byla vybrána právě nespojitá Galerkinova metoda. Mezi nejdůležitější aspekty této metody patří schopnost pracovat s geometricky složitými oblastmi, možnost dosáhnout metody vysokého řádu a dále lokální charakter toho schématu umožnuje efektivní paralelizaci výpočtu. Nejprve uvedeme nespojitou Galerkinovu metodu v obecném pojetí pro jedno- a dvoudimenzionalní úlohy. Algoritmus následně otestujeme pro řešení rovnice advekce, která byla zvolena jako modelový případ hyperbolické rovnice. Metoda nakonec bude testována na řadě verifikačních úloh, které byly formulovány pro testování metod pro výpočetní aeroakustiku, včetně oveření okrajových podmínek, které, stejně jako v případě teorie proudění tekutin, jsou nedílnou součástí výpočetní aeroakustiky.

The goal of this thesis is to introduce the finite difference method (FDM) adjusted for usage in modeling of sound propagation, and other approaches that are used together with this method. These approaches include selective filtering and time integration using the Runge-Kutta method, which has low computer memory requirements. An important topic in modeling sound propagation are boundary conditions. The thesis examines and verifies several types of boundary conditions. Included in the thesis are solutions to example problems implemented in Matlab.

Transportation is the main source of environmental noise in Europe, with an estimated 125 million people affected by excessive noise levels from road traffic, causing a burden of noise related diseases and having a substantial economic impact on society. In order to reduce exposure to high levels of traffic noise, two approaches are the topic of extensive research: preventing sound from propagating from roads and railways using for example noise barriers, and reducing the sources of noise themselves. The second solution, which addresses directly the cause of the problem, requires improved design methods, with a more systematic resort to multi-functional design. Addressing cross-functions simultaneously reduces the number of design iterations and the high cost of prototyping. The work presented in this thesis aims at developing methods that can be used to design quieter vehicle concepts within a multi-functional approach, and is articulated around two main axis of research, aerodynamic sound generation and sound propagation. The first axis aims at performing an aeroacoustic analysis to predict aerodynamic sound sources. A hybrid method is used on the example of a type of submerged air inlet called a NACA duct, where the near-field flow is solved through detached eddy simulation (DES) and where the far-field acoustics is computed using the Ffowcs Williams and Hawkings integral. Results for the flow for various operating conditions are presented and validated against experimental data from the literature, with very good agreement. Far-field acoustic results are shown, exhibiting levels and components that are strongly dependent on the operating conditions. This analysis gives a framework for future aeroacoustic analysis in the project, and sets the path for the development of air inlets with improved aerodynamic and aeroacoustic characteristics. The second axis focuses on the propagation of sound from a given source, moving in an urban environment. An approximate boundary method is presented, which relies on the Kirchhoff approximation applied to the Kirchhoff-Helmholtz integral equation. Using this approximation speeds up the computational time compared to using a regular boundary element method. The resulting expression is extended to account for multiple scattering through consecutive updates of the surface pressures, and for moving sources through the introduction of a retarded time and of a Doppler shift. Validation tests for this method are presented, from simple scatterers to a more realistic configuration, showing good agreement with analytical, experimental and simulated work.
Fordon är den främsta källan till bullerexponering i Europa med uppskattningsvis 125 miljoner människor som är utsatta för höga ljudnivåer från vägtrafik, vilket kan orsaka bullerrelaterade häsloproblem samt har en betydande ekonomisk effekt på samhället. För att minska exponeringen för höga ljudnivåer från fordon, finns det två angreppssätt som båda idag är ämne för omfattande forskning: att förhindra ljudutbredning från vägar och järnvägar (till exempel med hjälp av bullerskydd), samt att minska ljudnivån från olika bullerkällor. Den sistnämnda, som direkt riktar sig till problemets orsak, kräver förbättrade designmetoder med mer systematisk användning av multifunktionell design. Att hantera flera funktioner hos fordonet samtidigt minskar antalet designiterationer och den höga kostnaden för prototyper. Arbetet som presenteras i denna avhandling syftar till att utveckla metoder som kan användas för att utforma tystare fordonskoncept inom ramen för en multifunktionell strategi och fokuserar på två spår i forskningen: aerodynamisk ljudalstring och ljudutbredning från rörliga källor. Det första spåret i forskningen syftar till att utföra en aeroakustisk undersökning för att modellera aerodynamiska ljudkällor. En hybridmetod tillämpas på ett typ av nedsänkt luftintag, kallat NACA-intag, där källområdet i strömningen löses genom detached eddy simulation (DES) och akustiken i fjärrfältet beräknas enligt Ffowcs Williams och Hawkings integral. Resultat för strömningen för olika driftförhållanden presenteras och valideras mot experimentella data från litteraturen, med mycket god överensstämmelse. Resultat för det akustika fjärrfältet visas, vilket uppvisar nivåer och komponenter som är starkt beroende av driftförhållandena. Denna analys ger en ram för kommande analyser av aeroakustik inom projektet och visar vägen för utvecklingen av luftintag med förbättrade aerodynamiska och aeroakustika egenskaper. Det andra spåret i forskningsprojektet är inriktat på ljudets utbredning från en given källa som rör sig i en urban miljö. En approximativ randvärdesmetod presenteras som bygger på Kirchhoff approximation tillämpad på Kirchhoff-Helmholtz integralekvation. Med hjälp av denna approximation minskas beräkningstiden jämfort med vanlig boundary element method (BEM). Modellen utvecklas sedan för att kunna hantera flera reflektioner genom att det akustiska trycket på ytorna uppdateras för varje reflektion samt för att kunna hantera rörliga källor genom att introducera tidsfördröjningar och Dopplerförskjutning. Validering för denna modell presenteras, från enkla spridare till en mer realistisk urban konfiguration, som visar god överensstämmelse med analytiskt, experimentellt och simulerat data.

QC 20151002

Um Flugzeugtriebwerke und stationäre Gasturbinen schadstoffärmer und leiser zu gestalten, werden effizientere Dämpfer zur Unterdrückung des in der Brennkammer entstehenden Schalls benötigt. Hierfür sollen durchströmte, perforierte Wandauskleidungen eingesetzt werden, die sogenannten Bias-Flow-Liner (BFL). Die Erhöhung der Dämpfungseffizienz von BFL erfordert jedoch ein tiefer gehendes Verständnis der aeroakustischen Dämpfungsmechanismen. Die Analyse der Mechanismen bedarf einer experimentellen Untersuchung des Vektorfeldes der Fluidgeschwindigkeit, die sowohl die Strömungsgeschwindigkeit als auch die Schallschnelle enthält. Zur gleichzeitigen Erfassung beider Größen wird eine berührungslose sowie örtlich und zeitlich hoch aufgelöste Messung der Geschwindigkeit von im Mittel 10 m/s bis 100 m/s bei einer Unsicherheit von maximal 10 mm/s für die Schallschnelleamplitude und einem Dynamikumfang von 1000 bis 10 000 benötigt. Für diese Messung sind optische Verfahren vielversprechend, genügten aber bisher nicht diesen Anforderungen. Deshalb wurden im ersten Schritt neuartige optische Geschwindigkeitsmessverfahren erstmals bezüglich der Eignung für aeroakustische Untersuchungen am BFL, speziell hinsichtlich der Unsicherheit und des Dynamikumfangs, charakterisiert: der Laser-Doppler-Geschwindigkeitsprofilsensor (LDV-PS), die akustische Particle Image Velocimetry (A-PIV) und die Doppler-Global-Velozimetrie mit Frequenzmodulation (FM-DGV). Aus dem Messunsicherheitsbudget geht für alle Verfahren die turbulente Strömungsfluktuation als dominierender Beitrag zur Unsicherheit für die gemessene Schnelleamplitude hervor, wobei die Unsicherheit durch eine Erhöhung der Messdauer gesenkt werden kann. Für eine Messdauer von 80 s beträgt die mittels FM-DGV erzielte Unsicherheit bei einer mittleren Strömungsgeschwindigkeit von 100 m/s beispielsweise 10 mm/s, woraus ein Dynamikumfang von 10 000 resultiert. Demnach erfüllen die neuartigen Verfahren die Voraussetzungen für die Anwendung am BFL, was im zweiten Schritt experimentell demonstriert wurde. Hierbei wurde zwecks Untersuchung kleiner Strukturen der LDV-PS mit einer feinen Ortsauflösung von minimal 10 µm genutzt. Ferner wurde die großflächige Erfassung mittels A-PIV zur Untersuchung der Wechselwirkung zwischen den Perforationslöchern eingesetzt und eine spektrale Untersuchung der mittels FM-DGV gemessenen Geschwindigkeit bei einer hohen Messrate von 100 kHz durchgeführt. Im Ergebnis wurden folgende Erkenntnisse zum Dämpfungsverhalten gewonnen: Am BFL tritt eine Interaktion von Strömung und Schall auf, die zu einer Oszillation der Geschwindigkeit mit hoher Amplitude bei der Schallanregungsfrequenz führt. Aus der erstmals durchgeführten Zerlegung der volumetrisch gemessenen Geschwindigkeit in Strömungsgeschwindigkeit und Schallschnelle resultiert, dass die akustisch induzierte oszillierende Geschwindigkeit vorwiegend dem Strömungsfeld zuzuordnen ist. Folglich wurde ein Energietransfer vom Schallfeld ins Strömungsfeld am BFL nachgewiesen, der wegen des sich typischerweise anschließenden Zerfalls von Strömungswirbeln und der finalen Umwandlung in Wärmeenergie zur Dämpfung beiträgt. Zudem wurde mittels spektraler Analyse der Geschwindigkeit ein breitbandiger Energiezuwachs bei tonaler Schallanregung festgestellt, welcher mit der Dämpfungseffizienz korreliert ist. Somit wird die These der primär von der akustisch induzierten Wirbelbildung herrührenden Dämpfung gestützt. Diese mit den neuartigen optischen Messverfahren gewonnenen Erkenntnisse tragen perspektivisch zur Optimierung von BFL hinsichtlich einer hohen Dämpfungseffizienz bei.

In a society where environmental noise is becoming a major health and economical concern, sound emissions are an increasingly critical design factor for vehicle manufacturers. With about a quarter of the European population living close to roads with heavy traffic, traffic noise in urban landscapes has to be addressed first. The current introduction of electric vehicles on the market and the need for sound systems to alert their presence is causing a shift in mentalities requiring engineering methods that will have to treat noise management problems from a broader perspective. That in which noise emissions need not only be considered as a by-product of the design but as an integrated part of it. Developing more sustainable ground transportation will require a better understanding of the sound field emitted in various realistic operating conditions, beyond the current requirements set by the standard pass-by test, which is performed in a free-field. A key aspect to improve this understanding is the development of efficient numerical tools to predict the generation and propagation of sound from moving vehicles. In the present thesis, a methodology is proposed aimed at evaluating the pass-by sound field generated by vehicle acoustic sources in a simplified urban environment, with a focus on flow sound sources. Although it can be argued that the aerodynamic noise is still a minor component of the total emitted noise in urban driving conditions, this share will certainly increase in the near future with the introduction of quiet electric engines and more noise-efficient tyres on the market. This work presents a complete modelling of the problem from sound generation to sound propagation and pass-by analysis in three steps. Firstly, computation of the flow around the geometry of interest; secondly, extraction of the sound sources generated by the flow, and thirdly, propagation of the sound generated by the moving sources to observers including reflections and scattering by nearby surfaces. In the first step, the flow is solved using compressible detached-eddy simulations. The identification of the sound sources in the second step is performed using direct numerical beamforming with linear programming deconvolution, with the phased array pressure data being extracted from the flow simulations. The outcome of this step is a set of uncorrelated monopole sources. Step three uses this set as input to a propagation method based on a point-to-point moving source Green's function and a modified Kirchhoff integral under the Kirchhoff approximation to compute reflections on built surfaces. The methodology is demonstrated on the example of the aeroacoustic noise generated by a NACA air inlet moving in a simplified urban setting. Using this methodology gives insights on the sound generating mechanisms, on the source characteristics and on the sound field generated by the sources when moving in a simplified urban environment.
I ett samhälle där buller håller på att bli ett stort hälsoproblem och en ekonomisk belastning, är ljudutsläpp en allt viktigare aspekt för fordonstillverkare. Då ungefär en fjärdedel av den europeiska befolkningen bor nära vägar med tung trafik, är åtgärder för minskat trafikbuller i stadsmiljö en hög prioritet. Introduktionen av elfordon på marknaden och behovet av ljudsystem för att varna omgivningen kräver också ett nytt synsätt och tekniska angreppssätt som behandlar bullerproblemen ur ett bredare perspektiv. Buller bör inte längre betraktas som en biprodukt av konstruktionen, utan som en integrerad del av den. Att utveckla mer hållbara marktransporter kommer att kräva en bättre förståelse av det utstrålade ljudfältet vid olika realistiska driftsförhållanden, utöver de nuvarande standardiserade kraven för förbifartstest som utförs i ett fritt fält. En viktig aspekt för att förbättra denna förståelse är utvecklingen av effektiva numeriska verktyg för att beräkna ljudalstring och ljudutbredning från fordon i rörelse. I denna avhandling föreslås en metodik som syftar till att utvärdera förbifartsljud som alstras av fordons akustiska källor i en förenklad stadsmiljö, här med fokus på strömningsgenererat ljud. Även om det aerodynamiska bullret är fortfarande en liten del av de totala bullret från vägfordon i urbana miljöer, kommer denna andel säkerligen att öka inom en snar framtid med införandet av tysta elektriska motorer och de bullerreducerande däck som introduceras på marknaden. I detta arbete presenteras en komplett modellering av problemet från ljudalstring till ljudutbredning och förbifartsanalys i tre steg. Utgångspunkten är beräkningar av strömningen kring geometrin av intresse; det andra steget är identifiering av ljudkällorna som genereras av strömningen, och det tredje steget rör ljudutbredning från rörliga källor till observatörer, inklusive effekten av reflektioner och spridning från närliggande ytor. I det första steget löses flödet genom detached-eddy simulation (DES) för kompressibel strömning. Identifiering av ljudkällor i det andra steget görs med direkt numerisk lobformning med avfaltning med hjälp av linjärprogrammering, där källdata extraheras från flödessimuleringarna. Resultatet av detta steg är en uppsättning av okorrelerade akustiska monopolkällor. Steg tre utnyttjar dessa källor som indata till en ljudutbredningsmodel baserad på beräkningar punkt-till-punkt med Greensfunktioner för rörliga källor, och med en modifierad Kirchhoff-integral under Kirchhoffapproximationen för att beräkna reflektioner mot byggda ytor. Metodiken demonstreras med exemplet med det aeroakustiska ljud som genereras av ett NACA-luftintag som rör sig i en förenklad urban miljö. Med hjälp av denna metod kan man få insikter om ljudalstringsmekanismer, om källegenskaper och om ljudfältet som genereras av källor när de rör sig i en förenklad stadsmiljö.

QC 20170425

Um Flugzeugtriebwerke und stationäre Gasturbinen schadstoffärmer und leiser zu gestalten, werden effizientere Dämpfer zur Unterdrückung des in der Brennkammer entstehenden Schalls benötigt. Hierfür sollen durchströmte, perforierte Wandauskleidungen eingesetzt werden, die sogenannten Bias-Flow-Liner (BFL). Die Erhöhung der Dämpfungseffizienz von BFL erfordert jedoch ein tiefer gehendes Verständnis der aeroakustischen Dämpfungsmechanismen. Die Analyse der Mechanismen bedarf einer experimentellen Untersuchung des Vektorfeldes der Fluidgeschwindigkeit, die sowohl die Strömungsgeschwindigkeit als auch die Schallschnelle enthält. Zur gleichzeitigen Erfassung beider Größen wird eine berührungslose sowie örtlich und zeitlich hoch aufgelöste Messung der Geschwindigkeit von im Mittel 10 m/s bis 100 m/s bei einer Unsicherheit von maximal 10 mm/s für die Schallschnelleamplitude und einem Dynamikumfang von 1000 bis 10 000 benötigt. Für diese Messung sind optische Verfahren vielversprechend, genügten aber bisher nicht diesen Anforderungen. Deshalb wurden im ersten Schritt neuartige optische Geschwindigkeitsmessverfahren erstmals bezüglich der Eignung für aeroakustische Untersuchungen am BFL, speziell hinsichtlich der Unsicherheit und des Dynamikumfangs, charakterisiert: der Laser-Doppler-Geschwindigkeitsprofilsensor (LDV-PS), die akustische Particle Image Velocimetry (A-PIV) und die Doppler-Global-Velozimetrie mit Frequenzmodulation (FM-DGV). Aus dem Messunsicherheitsbudget geht für alle Verfahren die turbulente Strömungsfluktuation als dominierender Beitrag zur Unsicherheit für die gemessene Schnelleamplitude hervor, wobei die Unsicherheit durch eine Erhöhung der Messdauer gesenkt werden kann. Für eine Messdauer von 80 s beträgt die mittels FM-DGV erzielte Unsicherheit bei einer mittleren Strömungsgeschwindigkeit von 100 m/s beispielsweise 10 mm/s, woraus ein Dynamikumfang von 10 000 resultiert. Demnach erfüllen die neuartigen Verfahren die Voraussetzungen für die Anwendung am BFL, was im zweiten Schritt experimentell demonstriert wurde. Hierbei wurde zwecks Untersuchung kleiner Strukturen der LDV-PS mit einer feinen Ortsauflösung von minimal 10 µm genutzt. Ferner wurde die großflächige Erfassung mittels A-PIV zur Untersuchung der Wechselwirkung zwischen den Perforationslöchern eingesetzt und eine spektrale Untersuchung der mittels FM-DGV gemessenen Geschwindigkeit bei einer hohen Messrate von 100 kHz durchgeführt. Im Ergebnis wurden folgende Erkenntnisse zum Dämpfungsverhalten gewonnen: Am BFL tritt eine Interaktion von Strömung und Schall auf, die zu einer Oszillation der Geschwindigkeit mit hoher Amplitude bei der Schallanregungsfrequenz führt. Aus der erstmals durchgeführten Zerlegung der volumetrisch gemessenen Geschwindigkeit in Strömungsgeschwindigkeit und Schallschnelle resultiert, dass die akustisch induzierte oszillierende Geschwindigkeit vorwiegend dem Strömungsfeld zuzuordnen ist. Folglich wurde ein Energietransfer vom Schallfeld ins Strömungsfeld am BFL nachgewiesen, der wegen des sich typischerweise anschließenden Zerfalls von Strömungswirbeln und der finalen Umwandlung in Wärmeenergie zur Dämpfung beiträgt. Zudem wurde mittels spektraler Analyse der Geschwindigkeit ein breitbandiger Energiezuwachs bei tonaler Schallanregung festgestellt, welcher mit der Dämpfungseffizienz korreliert ist. Somit wird die These der primär von der akustisch induzierten Wirbelbildung herrührenden Dämpfung gestützt. Diese mit den neuartigen optischen Messverfahren gewonnenen Erkenntnisse tragen perspektivisch zur Optimierung von BFL hinsichtlich einer hohen Dämpfungseffizienz bei.