Effiziente, stochastische Vorhersage von turbulentem Brennkammerlärm

Abstract

Breitbandlärm spielt heutzutage in vielen technischen Anwendungen eine große Rolle. Dessen akkurate numerische Simulation im Bereich der turbulenten Verbrennung ist das Ziel der vorliegenden Arbeit. Lärm kann mithilfe direkter, kompressibler Methoden und Modelle bereits vorhergesagt werden. Allerdings sind solche Verfahren sehr rechenzeitintensiv und nach wie vor wenig validiert. Daher wird hier ein hybrides, stochastisches Verfahren zur Bestimmung turbulenten Verbrennungslärms weiterentwickelt und validiert, um diesen Lärm in komplexen und technisch relevanten Problemstellungen effizient und zuverlässig vorhersagen zu können. Das neue Verfahren FRPM-CN (Fast Random Particle Method for Combustion Noise Prediction) wird zunächst anhand eines generischen Testfalls verifiziert. Die anschließende Modellvalidierung erfolgt mit offenen und eingehausten Strahlflammen. Experimentell ermittelte Druckspektren dienen als Referenz. Im Zuge der Validierungsstudien wird die Erweiterung auf volle räumliche und zeitliche Auflösung sowie die Vorhersagequalität absoluter Schalldruckpegel getestet. Ein im Rahmen dieser Arbeit entwickeltes, semi-analytisches Modell zur Bestimmung der Strahlflammenspektren dient als Kontrollinstanz und Analysetool. 3D FRPM-CN mit der Modellierung physikalischer Schallausbreitung und dreidimensionaler Schall- quellen sagt absolute Schalldruckpegel der Strahlflammenkonfigurationen für unterschiedliche Richtcharakteristiken des turbulenten Lärms voraus. Hierfür ist praktisch keine künstliche Amplitudenskalierung notwendig. Die Validierung der Methode für komplexe Fragestellungen erfolgt durch die Simulation zweier drallstabilisierter Brenner im Labormaßstab unter atmosphärischen Bedingungen. Der Doppeldrallbrenner sowie der PRECCINSTA Brenner werden mithilfe einer Variation unterschiedlicher Modell- und Simulationsparameter untersucht. In beiden Fällen werden absolute Schalldruckpegel mit 3D FRPM-CN allein auf Grundlage integraler Turbulenzstatistiken und einer Verteilung der Temperaturvarianz in einem definierten Quellgebiet genau wiedergegeben.