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Numerische Methoden zur Simulation von Schallerzeugung und Ausbreitung in Strömungen um komplexe zwei- und dreidimensionale Geometrien
(2007) Basel, Benjamin Daniel; Munz, Claus-Dieter (Prof. Dr. rer. nat. habil.)
In der Aeroakustik breiten sich die elastischen Wellen vom Entstehungsort der Quelle zum Beobachter mit Schallgeschwindigkeit aus. Ziel ist es, den Ort der Quellenstehung und die Entstehungsmechanismen zu bestimmen und durch aktive und passive Maßnahmen die Quellstärke zu reduzieren und neue Technologien zur Minderung des Lärms zu entwickeln. Zur Bestimmung des Schallfeldes kann die Akustische Analogie angewendet werden. Mit Hilfe der Akustischen Analogie ist es möglich, das Strömungsfeld und das Akustikfeld getrennt voneinander zu untersuchen. Im ersten Schritt wird das Strömungsfeld mit numerischen Methoden bestimmt. Anschlie"send werden die aeroakustischen Quellen mit Hilfe von numerischen oder experimentellen Methoden bestimmt. Liegt das Strömungsfeld sowie das Quellfeld vor, so kann die Schallausbreitung mit Hilfe von numerischen Methoden berechnet werden. Die numerischen Quellgenerierungsmethoden werden anhand der analytischen Lösung des korotierenden Wirbelpaares untersucht. Das Beamforming Verfahren ist ein messtechnisches Verfahren zur Lokalisierung von Schallquellen. Das Beamforming Verfahren verwendet die gemessenen Mikrophondaten und liefert auf einer Fokusebene die gesuchten Schallquellen. Die Bestimmung von Schallquellen in Windkanälen ist jedoch nicht ohne weiteres möglich, da sich die Schallsignale durch ein inhomogenes Strömungsfeld bewegen. Mit Hilfe eines neuen Korrekturalgorithmus kann das Beamforming Verfahren im Windkanal eingesetzt werden. Die Berechnung des Schallfelds, welches im Allgemeinen eine große Ausdehnung hat, benötigt genaue numerische Verfahren, da sonst die numerischen Fehler zu ungenauen Ergebnissen führen. In dieser Arbeit werden Finite Differenzen und Finite Volumen Verfahren hoher Ordnung hergeleitet und bei der Berechnung der Schallausbreitung um Tragflügelprofile eingesetzt. Mit Hilfe der vorgestellten Verfahren wurden am Tragflügel des Flugzeugs Airbus A320 Lärmminderungsmaßnahmen entwickelt und in zahlreichen Windkanalmessungen nachgewiesen. Zudem tragen die hier entwickelten Verfahren dazu bei, das Schallfeld mit höherer Genauigkeit zu bestimmen und somit bei der Entwicklung neuer Tragflügelkonzepte einzusetzen.