Numerical prediction of flow induced noise in free jets of high Mach numbers

Abstract

A direct aeroacoustic simulation methodology is developed on the basis of the numerical schemes implemented in the commercial tool ANSYS CFX. The focus lies upon the efficient and direct numerical prediction of the flow-induced noise generated by natural gas and pneumatic applications. The respective compressed gas related components are characterized by tiny supersonic gas jets, strong noise emissions, poor accessibility by measurement techniques and excessive simulation costs in particular. Highly resolved computational grids close to DNS requirements become necessary just in order to capture the time-averaged flow profile, tiny shocks and gradients correctly. Furthermore the coexistent supersonic flow velocity results in an exceptionally small timestepping in compliance with the CFL condition, e.g. for LES aeroacoustic simulations. Considering the assumably nonlinear noise propagation and the acoustic feedback within enclosed environments the well-established hybrid approaches cannot be employed here as well. The flow and acoustics of the whole domain rather have to be captured within a single tool instead. In fact, the corresponding simulation costs inhibit the numerical prediction and reduction of the emitted noise levels for those compressed gas components at the industrial scale. In this work the test subject is a dedicated natural gas injector in an open and a confined environment and with varying boundary conditions. Specific to the injector nozzle, four under-expanded supersonic gas jets (M=1.4, Re=30000) are formed and cause a strong flow three-dimensionality. Furthermore a turbulence cluster establishes between the jets driving jet fluctuations and aeroacoustics. To enable aeroacoustic simulations in the first place, ANSYS CFX is augmented by a transient inlet boundary condition and a non-reflective farfield boundary condition based on an implicit damping sponge layer. In order to reduce the simulation costs the scale-adaptive turbulence model (SAS-SST) recently implemented in ANSYS CFX is validated for the gas injection problem and especially for CFL numbers much larger than one. Since a degrading solution quality has to be expected then a timestep study is conducted in order to detect the limit for aeroacoustic simulations. Bottom line the different turbulence modeling allows a strongly increased global timestepping such that a net simulation costs reduction by a factor of 19 compared to LES is achieved. In spite of the generally lower solution quality the predicted noise levels, spectral distributions as well as noise sensitivities are in well agreement with own experimental data. In an alternative simulation approach the research code NSDG2D is applied to a simplified 2D setup with very promising results. The more sophisticated solver numerics based on an explicit Discontinuous Galerkin scheme allows local dynamic adaption to the problem, amongst others by local timestepping and locally adaptive element orders. These features prove to be feasible especially for locally varying unsteady compressible flows and the supersonic gas injection in particular. Considering these advantages a further reasonable simulation costs reduction compared to ANSYS CFX can be projected for the 3D application as well.

Auf Grundlage der numerischen Verfahren innerhalb des kommerziellen Strömungslösers ANSYS CFX wird eine Simulationsmethodik mit Fokus auf die effiziente und direkte numerische Vorhersage strömungsbedingten Schalls für Erdgas- und Pneumatik-Anwendungen entwickelt. Die entsprechenden gasführenden Komponenten sind insbesondere durch kleine Überschallgasstrahlen, starke Lärmemissionen, schlechte messtechnische Zugänglichkeit und extreme Aeroakustik-Simulationsanforderungen gekennzeichnet. Hochaufgelöste Gitter an der Grenze zur DNS-Qualität sind notwendig, nur um das gemittelte Strahlprofil mit seinen sehr kleinen Stößen und Scherschichten richtig abzubilden. Unter Einhaltung der CFL Bedingung führen die gleichzeitig sehr hohen Strömungsgeschwindigkeiten weiterhin zu außerordentlich kleinen Zeitschrittweiten, u.a. für LES Simulationen. Aufgrund der zu erwartenden nichtlinearen Schallausbreitung und den Rückkopplungen in einer umschlossenen Umgebung sind etablierte hybride Ansätze hier nicht anwendbar. Vielmehr muß die Strömung und Akustik des gesamten Problems in einem einzigen Tool abgebildet werden. Die daraus resultierenden Simulationskosten verhindern die industrielle Anwendung numerischer Methoden zur Vorhersage und Reduktion des strömungsinduzierten Lärms für solche Komponenten. Das Testbeispiel in dieser Arbeit ist ein spezieller Erdgas-Injektor in offener und umschlossener Freistrahlanordnung und mit variierenden Umgebungsrandbedingungen. Spezifisch für den Injektor ist seine besondere Düsengeometrie. Sie formt vier stark dreidimensionale unterexpandierte Überschallgasstrahlen (M=1.4, Re=30000) und einen Turbulenzballen zwischen ihnen, der die Strahlen zu Schwingungen anregt und so die Lärmemissionen treibt. Um Aeroakustiksimulationen überhaupt erst zu ermöglichen, wird ANSYS CFX mit einem transienten Inlet und einer nicht-reflektierenden Fernfeld-Randbedingung auf Basis einer impliziten Sponge Layer erweitert. Zur Reduktion der Simulationskosten wird das seit kurzem in ANSYS CFX implementierte skalen-adaptive Turbulenzmodell (SAS-SST) für dieses Beispiel und insbesondere für CFL Zahlen deutlich größer als eins validiert. Aufgrund der dann abnehmenden Lösungsqualität wird eine Zeitschrittstudie durchgeführt, um die Grenzen für die Lärmvorhersage zu bestimmen. Im Ergebnis erlaubt die geänderte Turbulenzmodellierung eine deutlich vergrößerte globale Zeitschrittweite und damit eine Reduktion des Simulationsaufwandes um den Faktor 19 gegenüber LES. Trotz der allgemein schlechteren Lösungsqualität stimmen die simulativ ermittelten Lärmpegel, Spektren und Sensitivitäten gut mit eigenen Messungen überein. In einem alternativen Simulationsansatz wird der Forschungscode NSDG2D auf ein vereinfachtes 2D-Problem angewendet. Die fortschrittlichere Numerik auf Basis eines expliziten Discontinuous Galerkin Verfahrens erlaubt die lokale dynamische Anpassung an das Problem, unter anderem mit lokalen Zeitschrittweiten und lokal adaptiven Elementordnungen. Es wird gezeigt, dass diese Fähigkeiten sich insbesondere bei instationären und lokal stark variierenden kompressiblen Gasströmungen wie der Gasinjektion auszahlen. Damit kann eine weitere deutliche Reduktion der Simulationskosten im Vergleich zu ANSYS CFX auch in 3D angenommen werden.