Numerische Simulation von Verbrennungslärm

Abstract

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.

Unsteady processes in reacting flows generate combustion noise with high sound pressure amplitudes. Direct combustion noise is generated by turbulent flow structures or periodic combustion oscillations in the flame zone, in contrast indirect combustion noise is produced by the strong acceleration of entropy modes or vorticities, for example in the first turbine stage of gas turbines. The numerical simulation of both direct and indirect combustion noise is a complex topic, since fluid mechanics, combustion techniques, acoustics, and numerical mathematics interact. The objective of this work is to develop a highly efficient and accurate hybrid Computational Fluid Dynamics/Computational Aeroacoustics (CFD/CAA) approach for the numerical simulation of turbulent combustion noise. The numerical algorithm is to be validated and evaluated using open and enclosed jet flames. Furthermore, entropy noise of a generic test case is to be modeled using a Direct Noise Computation (DNC) method in combination with acoustic boundary conditions. First, numerical investigations of indirect combustion noise in a generic experiment, the Entropy Wave Generator (EWG), are presented. The noise generation due to the acceleration of entropy disturbances in the EWG were comprehensively experimentally investigated by Bake et al. There, temperature disturbances are inserted to a pipe flow by a heating module. These entropy modes are accelerated in a convergent-divergent nozzle whereby entropy noise is emitted. The flow, the acoustic sources, and the propagation of the entropy noise are simulated applying a direct noise computation method. For this, the compressible unsteady Reynolds averaged Navier-Stokes (URANS) equations in combination with a two-equation turbulence model are numerically solved. The acoustic impedance of the EWG is modeled by a partially reflecting boundary condition. The computed pressure fluctuations as well as their spectral distribution agree very good with the experimental data for a reference case. The computed maximal entropy noise levels at different flow conditions are in very good agreement with measurements as well. For the first time, a numerical analysis of the entropy noise sources provides an explanation for the progression of the maximal entropy noise level at high flow velocities in the EWG. Computed entropy noise levels at gas turbine relevant conditions in the EWG indicate a non negligible contribution of entropy noise to the total noise emissions of aero-engines. The developed Random Particle-Mesh for Combustion Noise (RPM-CN) approach for the numerical simulation of turbulent combustion noise is a hybrid CFD/CAA method, based on a stochastic source reconstruction in the time domain. The combustion noise sources are modeled based on statistical turbulence quantities, for example achieved by a Reynolds averaged Navier-Stokes (RANS) simulation, using the Random Particle-Mesh (RPM) method. Subsequently, the propagation of the combustion noise is computed by the numerical solution of the linearized Euler equations (LEE). The RPM-CN approach is validated in detail using measurements of the DLR-A and DLR-B flames. The open, turbulent, non-premixed jet flames are geometrically identical, however, they differ in the fuel exit velocity and their respective Reynolds number. An exact realization of the defined model definitions of the acoustic source reconstruction with the RPM-method is verified. The computed sound pressure level spectra of the DLR-A and the DLR-B flames using the RPM-CN approach agree with the experimental data for the whole frequency range very well. The very good agreement of the computed sound pressure level spectra with the similarity spectrum suggested by Tam et al. for the emitted combustion noise of open jet flames proves additionally the general applicability of the RPM-CN approach for the combustion noise simulation of open jet flames. The suitability of the RPM-CN approach for the computation of combustion noise emitted by flames with a different fuel composition and of enclosed flames is discussed using simulations of the H3 flame and the enclosed DLR-A flame.