Simulationsgestützte Konzeptionierung eines aeroakustischen Experimentes zur Untersuchung von kopfspaltströmungsinduzierter Geräuschentstehung

Kurzfassung

In einer Vielzahl von technischen Anwendungen spielen Turbomaschinen eine bedeutende Rolle. Insbesondere im Bereich der Luft- und Klimatechnik werden Ventilatoren zur Bereitstellung des LuftVolumenstroms eingesetzt, wie beispielsweise an Wärmeüberträgereinheiten oder bei der Belüftung von Räumen. Aufgrund der Nähe zum menschlichen Umfeld stehen günstige akustische Eigenschaften und damit verbunden die Minderung von Lärmbelastung im Fokus moderner Ventilatorhersteller. Derzeit wird davon ausgegangen, dass eine prominente Schallquelle an modernen Axialventilatoren im Einbauzustand die Strömung im Kopfspaltbereich darstellt. Diese entsteht durch den Druckausgleich zwischen der Druck- und Saugseite einer Ventilatorschaufel an der Blattspitze. Dabei bildet sich ein komplexes Wirbelsystem, welches unterschiedliche Mechanismen der aeroakustischen Schallentstehung bedingt. Untersuchungen der kopfspaltbedingten Schallentstehung an Ventilatoren bei realen Betriebsbedingungen sind mit zahlreichen Schwierigkeiten verbunden, weshalb aeroakustische Experimente unter simplifizierten Konditionen durchgeführt werden. Ein solches Experiment, dessen Durchführung zeitnah innerhalb des Akustischen Windkanals Braunschweig (AWB) vorgesehen ist, befindet sich aktuell in Planung und gliedert sich in eine mehrjährige Kooperation der Abteilung Technische Akustik (TEA) mit dem Ventilator- und Antriebshersteller ebm-papst. Das Ziel des geplanten Experiments ist es, sowohl einen erweiterten Einblick in die Mechanismen der Schallentstehung am Kopfspalt zu gewinnen als auch eine breite, parametrisierte Datenbasis bereitzustellen. Letztere soll unter anderem bei der Weiterentwicklung der TEA-eigenen numerischen Vorhersageverfahren für aeroakustische Schallentstehung zu Validierungszwecken zum Einsatz kommen. Bei der Konzeptionierung des experimentellen Aufbaus ist in erster Linie die Realisierung einer ungestörten, möglichst isolierten akustischen Datenerfassung der Kopfspaltregion von zentraler Bedeutung - folglich stehen bereits in der Planungsphase Prinzipien des aeroakustischen Entwurfs im Prof. Dr.-Ing. Delfs +49 531-295-2170 +49 531-295-2320 jan.delfs@dlr.de 01. Februar 2024Seite 2 Fokus. Hierbei kommt, neben bereits erarbeitetem Wissen und Erfahrungen, der begleitende Einsatz von Simulationsmethoden hinzu. Basierend auf strömungsmechanischen Berechnungen durch Einsatz des DLR-TAU Codes soll der konstruktive Stand des experimentellen Aufbaus kontinuierlich überprüft und vorab auf Bereiche potenzieller, unerwünschter Schallentstehung analysiert werden. Ferner sind für die im weiteren Verlauf der Untersuchung vorgesehene Akustiksimulationen hoch-genaue Strömungslösungen als Eingangsdaten erforderlich. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, erste Vorarbeiten hierzu zu leisten, indem die Grundlagen für eine weitgehend automatisierte Prozesskette zur numerischen Untersuchung des Aufbaus gelegt werden. Dabei stellen die Schritte der Geometrieaufarbeitung, Vernetzung und Erstellung bzw. Durchführung der eigentlichen CFD-Simulationen die relevanten Arbeitspunkte dar. Arbeitsschritte: