Browsing by Author "Mühlbauer, Bernd Michael"
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Item Open Access Numerische Simulation von Verbrennungslärm(2012) Mühlbauer, Bernd Michael; Aigner, Manfred (Prof. Dr.-Ing.)Instationäre Prozesse reagierender Strömungen verursachen Verbrennungslärm mit hohen Schalldruckamplituden. Direkter Verbrennungslärm wird durch turbulente Strömungsstrukturen oder periodische Verbrennungsschwingungen in der Flammenzone generiert, indirekter Verbrennungslärm entsteht hingegen durch die starke Beschleunigung von Entropiemoden oder Wirbeln, zum Beispiel in der ersten Turbinenstufe einer Gasturbine. Die numerische Simulation von sowohl direktem als auch von indirektem Verbrennungslärm ist deshalb eine komplexe Aufgabenstellung, da Strömungsmechanik, Verbrennungstechnik, Akustik und numerische Mathematik miteinander interagieren. Ziel der Arbeit ist es, einen hocheffizienten und genauen hybriden Computational Fluid Dynamics/Computational Aeroacoustics (CFD/CAA)-Ansatz für die numerische Simulation von turbulentem Verbrennungslärm zu entwickeln. Der numerische Ansatz soll anhand von offenen und eingeschlossenen Strahlflammen validiert und evaluiert werden. Des Weiteren ist vorgesehen, Entropielärm anhand eines generischen Testfalls durch ein direktes Schallberechnungsverfahren (Direct Noise Computation, DNC) in Kombination mit akustischen Randbedingungen zu modellieren. Zunächst werden numerische Untersuchungen von indirektem Verbrennungslärm in einem generischen Versuchsaufbau, dem Entropiewellengenerator (EWG), vorgestellt. Die Schallerzeugung durch die Beschleunigung von Entropiefluktuationen im EWG wurde umfassend von Bake et al. experimentell untersucht. Im EWG werden einer Rohrströmung Temperaturstörungen mittels eines Heizmoduls aufgeprägt. Diese Entropiemoden werden dann in einer konvergent-divergenten Düse beschleunigt, wobei Entropielärm entsteht. Die Strömung, die akustischen Quellen und die Ausbreitung des Entropielärms werden mit einem direkten Schallberechnungsverfahren simuliert. Hierzu werden die kompressiblen unsteady Reynolds averaged Navier-Stokes (URANS)-Gleichungen in Kombination mit einem Zweigleichungsturbulenzmodell numerisch gelöst. Die akustische Impedanz des EWGs wird mit Hilfe einer teilreflektierenden Randbedingung an der Rechenfeldgrenze abgebildet. Die so berechneten Druckfluktuationen sowie deren spektrale Verteilung stimmen für den Referenzfall mit den experimentellen Daten sehr gut überein. Die berechneten maximalen Entropielärmpegel bei verschiedenen Strömungszuständen sind ebenfalls in sehr guter Übereinstimmung mit den Messdaten. Eine numerische Analyse der Entropielärmquellen liefert erstmals eine Erklärung für den Verlauf des maximalen Entropieschallpegels im EWG für hohe Strömungsgeschwindigkeiten. Berechnete Entropieschallpegel bei gasturbinenrelevanten Bedingungen im EWG deuten auf einen nicht vernachlässigbaren Beitrag des Entropielärms zur Gesamtschallabstrahlung von Flugtriebwerken hin. Der in dieser Arbeit entwickelte Random Particle-Mesh for Combustion Noise (RPM-CN)-Ansatz für die numerische Simulation von turbulentem Verbrennungslärm ist eine hybride CFD/CAA-Methode, die auf einer stochastischen Quellrekonstruktion im Zeitbereich beruht. Die Verbrennungslärmquellen werden basierend auf statistischen Turbulenzgrößen, wie sie aus einer Reynolds averaged Navier-Stokes (RANS)-Simulation erhalten werden können, mit der Random Particle-Mesh (RPM)-Methode modelliert. Anschließend wird die Ausbreitung des Verbrennungslärms durch die numerische Lösung der linearisierten Euler Gleichungen (Linearized Euler Equations, LEE) berechnet. Der RPM-CN-Ansatz wird mit Hilfe von Messdaten der DLR-A- und DLR-B-Flammen detailliert validiert. Die offenen, turbulenten, nicht vorgemischten Strahlflammen haben einen identischen geometrischen Aufbau, unterscheiden sich jedoch in der Brennstoffaustrittsgeschwindigkeit und ihrer entsprechenden Reynolds-Zahl. Eine exakte Realisierung der vorgegebenen Modelldefinitionen der akustischen Quellrekonstruktion mit der RPM-Methode wird nachgewiesen. Die mit dem RPM-CN-Ansatz berechneten Schalldruckpegelspektren der DLR-A- und DLR-B-Flammen stimmen über den gesamten Frequenzbereich mit den experimentellen Daten sehr gut überein. Die Übereinstimmung der berechneten Schalldruckpegelspektren mit dem von Tam et al. vorgeschlagenen Ähnlichkeitsspektrum des abgestrahlten Schalls von offenen Strahlflammen belegt die Allgemeingütigkeit des RPM-CN-Ansatzes für die Verbrennungslärmsimulation von offenen Strahlflammen. Die Eignung des RPM-CN-Ansatzes zur Berechnung des abgestrahlten Verbrennungslärms bei einer veränderten Brennstoffzusammensetzung und in eingeschlossenen Geometrien wird anhand von Simulationen der H3-Flamme und der eingeschlossenen DLR-A-Flamme diskutiert.