Numerical Design and Experimental Investigation of Lattice Structures and Their Effect on Cylinder Flow Noise

Kurzfassung

Die steigende Nachfrage nach leichten, multifunktionalen Strukturen in der Luft- und Raumfahrt sowie verwandten Branchen hat das Interesse an Gitterarchitekturen geweckt, die Tragfähigkeit mit zusätzlichen Funktionen kombinieren. Traditionell wurden strukturierte poröse Beschichtungen eingesetzt, um aerodynamische Geräusche zu reduzieren, jedoch fehlt diesen oft die notwendige mechanische Steifigkeit und Festigkeit, um als primäre tragende Elemente zu dienen. Gitterbasierte Strukturen bieten dagegen hervorragende mechanische Eigenschaften, doch ihr akustisches Potenzial ist noch wenig untersucht. Dies führt zu einer zentralen Frage: Können speziell entwickelte Gitterstrukturen eine vergleichbare oder sogar bessere aeroakustische Leistung erbringen und gleichzeitig als tragende Bauteile fungieren, wodurch Masse reduziert und die Designintegration vereinfacht wird? Diese Arbeit untersucht, ob gleichmäßige Triply Periodic Minimal Surface (TPMS) Gitter gleichzeitig strukturelle und aeroakustische Vorteile bieten können. Zunächst wurden für relative Dichten von 30 bis 80 Prozent die drei Gitterfamilien Gyroid, Schwarz D und Fischer-Koch (FKS) untersucht und hinsichtlich ihrer strukturmechanischen Eigenschaften bei axialem Knicken und unter Biegebelastung bewertet. Auf Grundlage der strukturellen Auswahl wurden neun Designs additiv gefertigt und im Windkanal bei Strömungsgeschwindigkeiten zwischen 10 und 40 m/s getestet. Die Ergebnisse zeigen, dass Gitter mit hoher Porosität schmale tonale Spitzen, die mit Wirbelablösungen verbunden sind, stark unterdrücken und die Energie stattdessen in breitbandiges Rauschen umverteilen, während Gitter mit niedriger Porosität sich eher wie Vollzylinder verhalten und stärkere tonale Komponenten aufweisen. Strukturell erreichten FKS-Gitter bei hoher Dichte die größten Steifigkeitssteigerungen, während Gyroid eine gleichmäßige Balance zwischen mechanischer und akustischer Leistung bot. Diese Ergebnisse machen deutlich, dass Gittertopologie und Porosität den Ausgleich zwischen mechanischer Stabilität und akustischem Verhalten stark beeinflussen und dass TPMS-Architekturen einen vielversprechenden Ansatz für multifunktionale Strukturen zur Lärmminderung in zukünftigen Luft- und Raumfahrt- sowie Transportanwendungen darstellen.