Aeroakustische Untersuchungen an stationären Stäben und einem oszillierenden Tragflügel mittels synchroner Particle-Image Velocimetry und Mikrofonmessungen

Kurzfassung

Die kombinierte, experimentelle Erfassung der Strukturen in einer Strömung und der dadurch verursachten Schallabstrahlung ist Gegenstand der vorliegenden Arbeit. Als Messmethoden kamen einerseits die Particle Image Velocimetry (PIV), mit Hilfe derer Schwankungsgrößen im Strömungsfeld innerhalb einer Lichtschnittebene aufgezeichnet werden, und andererseits Mikrofone, die die Druckfluktuationen im akustischen Fernfeld erfassen, zum Einsatz. Durch die synchrone Erfassung lässt sich die Kreuzkorrelation zwischen diesen beiden Größen berechnen, welche dabei Einblicke in den Mechanismus der Schallentstehung und -ausbreitung sowie den Zusammenhang mit den auftretenden Strömungsstrukturen liefert. Der Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit liegt in der Erweiterung des Erkenntnisraums dieses experimentellen Verfahrens hinsichtlich zweier Aspekte. Zum einen wird untersucht, inwieweit die Korrelationsergebnisse und davon abgeleitete Größen verwendet werden können, um Rückschlüsse auf die Region der Schallquellen zu schließen, das Ausbreitungsverhalten der Schallschnelle von der Quellregion bis ins Fernfeld nachzuverfolgen und die Verteilung der akustischen Intensität zu quantifizieren. Dafür wurden Experimente an umströmten Stäben in einem aeroakustischen Windkanal durchgeführt, wobei das Beobachtungsfenster der PIV-Messungen sequentiell vom Nahfeld der Stäbe bis ins akustische Fernfeld traversiert werden konnte. Um die erzielten Kreuzkorrelationsergebnisse abzugleichen und die skalierte Kreuzkorrelationsfunktion als Ersatzgröße der Schallschnelle zu validieren, wurden analytische Modelle verwendet. Es konnte gezeigt werden, dass in denjenigen Strömungsbereichen, in denen fluiddynamische Prozesse eine untergeordnete Rolle spielen, die skalierte Kreuzkorrelationsfunktion tatsächlich das Ausbreitungsverhalten der Schallschnelle widerspiegelt. In Bereichen mit starken turbulenten Teilchenbewegungen dominieren hingegen die fluiddynamischen Schwankungen um teils mehrere Größenordnungen, so dass eine klare Trennung der rein akustischen Prozesse nicht möglich ist. Jedoch konnte eine eindeutige Verknüpfung der kohärenten, periodisch ablösenden Strömungsstrukturen im Nachlauf der Stäbe mit der Schallemission und dem Transport bzw. der Konvektion der akustischen Informationen sowohl experimentell als auch im Vergleich mit den analytischen Modellen nachgewiesen werden. Mittels einer generalisierten Intensitätsanalyse auf Basis der skalierten Kreuzkorrelationsfunktion konnte darüber hinaus die Quellregion der akustischen Emissionen identifiziert werden. Zum anderen wird untersucht, welchen Einfluss der zusätzliche Freiheitsgrad der periodischen Bewegung eines oszillierenden Tragflügels in einer Strömung auf die Kreuzkorrelationsergebnisse hat. Mit diesem Experiment sollte geklärt werden, ob man mit der synchronen Messtechnik in der Lage ist, trotz sich permanent ändernden Strömungszuständen kohärente Strömungsstrukturen zu identifizieren, die mit der Schallentstehung und -ausbreitung zusammenhängen. Hierbei konnte gezeigt werden, dass zu unterschiedliche Flügelstellungen bzw. Phasenwinkeln charakteristische Strömungsstrukturen auftreten, die verschiedenen Schallquellmechanismen zugeordnet werden können. Im Verlauf des Zyklusses des dynamischen Strömungsabrisses kommt es sowohl zu periodischen Wirbelablösungen an der Flügelhinterkante als auch zu großflächigen Ablösungen entlang der gesamten Profilsehne des Flügels, welche jeweils mit charakteristischen Eigengeräuschmechanismen im Zusammenhang stehen. Darüber hinaus konnten durch Variation der Konfigurationsparameter auffällige Veränderungen in der Geräuschemission identifizieren und quantifizieren werden.