Zur Längenskalenanisotropie in der Modellierung des Kopfspaltgeräusches von Axialventilatoren

Abstract

Günstige akustische Eigenschaften sind ein entscheidendes Wettbewerbskriterium bei modernen Ventilatoren. Für eine erfolgreiche Auslegung ist die akustische Vorhersagefähigkeit bereits in der Entwurfsphase zwingend erforderlich. An einem Axialventilator verursacht der Kopfspalt zwischen Schaufel und Mantelring eine markante Schallquelle, deren Ausprägung stark von den lokalen Strömungsbedingungen abhängt. Diese wiederum ergeben sich aus der Geometrie der Spaltregion. Die Physik der konvergenten Kopfspaltströmung ist durch eine starke konvektive Beschleunigung der turbulenten Wirbelstrukturen geprägt, die gemäß der ”Rapid Distortion Theory” durch große Werte des verjüngten Scherratentensors charakterisiert ist. Dieser Effekt führt zu einer starken Anisotropie in den Ein- und Zweipunktstatistiken der Wirbelstörungen, welche der maßgeblichen Wirbelschallquelle zugrunde liegen. Diese müssen in einem qualitativen sowie quantitativen spektralen Modell des Kopfspaltgeräusches abgebildet werden. In einer fortlaufenden Untersuchung wird die Schallentstehung und Ausreitung am Kopfspalt mittels Akustischer Störungsgleichungen (APE) und stochastisch generierter Wirbelschallquellen innerhalb einer hybriden aeroakustischen Simulationsmethode berechnet. Dabei kommt der, auf der Discontinuous Galerkin Verfahren basierende, Propagationscode DISCO++ gekoppelt mit der Fast Random Particle Mesh Methode (FRPM) zur instationären, stochastischen Quellgenerierung zum Einsatz. Eine erweiterte Modellierung der anisotropen Wirbelschallquellen wird anhand des ummantelt eingebauten, fünfblättrigen Axialventilators ”USI-7” diskutiert, wobei eine Gegenüberstellung mit experimentell ermittelten Daten sowie quell-isotropen Simulationsergebnissen erfolgt.