Testek körüláramlása keltette zaj numerikus szimulációja

1. Testek körüláramlása keltette zaj numerikus szimulációja Szekeres Gábor (DQTP5Z) Konzulens: Lohász Máté Márton Budapest, 2006.06.28 Bíráló: Vaik István

2. Áttekintés az elvégzett munkáról • A főbb számítógépes aeroakusztikai (CAA) módszerek megismerése • A Ffowcs-Williams Hawkings modell vizsgálata konkrét geometriákon: • 2D Henger • CFD számítás • CAA számítás • Validálás • Kiértékelés • 3D szárnyprofil • Elsődleges cél a modell alkalmazhatóságának vizsgálata • CAA számítás egy korábbi CFD számítás felhasználásával • Kiértékelés • Következtetések levonása

3. Direkt módszerek Az áramlást leíró kompresszibilis egyenletek megoldása Direkt Numerikus Szimuláció Az áramkép tartalmazza a hangot is Rendkívül nagy számításigény Hibrid módszerek Akusztikai analógia Különválasztja a hangot az áramképtől Külön CAA és CFD számítás Alacsony számításigény Főbb módszerek: Lighthill modell, Kirchoff modell Szélessávú zajforrás modell Curle modell Ffowcs-Williams Hawkings modell, stb. CAA módszerek Aeroakusztika: • A nemlineáris hatásokat (pl. turbulencia) is figyelembe veszi, így maga az áramlás is lehet hangforrás. • Az áramlás befolyásolhatja a hang terjedését

4. Akusztikai analógia Az áramlástani alapegyenletek hullámegyenletre hozása: Lighthill egyenlet: Hanghullámok terjedése Hangforrás ahol Tij a Lighthill feszültségtenzor Nem alkalmazható szilárd test keltette zaj meghatározására. Csak a turbulencia keltette zaj számítására alkalmas (például: szabadsugár)

5. Ffowcs-Williams Hawkings modell S(t) u0 A Lighthill egyenlet általánosítása: • Mozgó szilárd test jelenléte az áramlásban Ffowcs-Williams és Hawkings egyenlet: vn f<0 f>0 f=0 • II. • III. A forrástagok: • A test felszínén kívül keletkező kvadropólus típusú zaj • A mozgó felületre ható erő változása okozta dipólus típusú zaj • A test által „elmozdított” folyadék monopólus típusú zaja

6. Ffowcs-Williams Hawkings modell Az egyenlet megoldása analitikusan meghatározható: ahol G a nyílt-téri Green függvény: x, t – kibocsátás helye, ideje y, t – megfigyelés helye,ideje A Ffowcs-Williams Hawkings egyenlet megoldása: A Fluentben elhanyagolva

7. Henger körüláramlása keltette zaj CFD számítás: Fluent 6.2 • Szegregált szolver • 2D, lamináris • Inkompresszibilis • Időfüggő (CFL≈1) • Re=1000, Ma=0.2 Diszkretizáció: • Időbeli: másodrendű • Nyomás: másodrendű • Sebesség: centrális • Nyomás-sebesség kapcsolat: SIMPLE

8. Henger körüláramlása keltette zaj Henger-1 háló

9. Henger körüláramlása keltette zaj Henger-2 háló

10. Henger körüláramlása keltette zaj Validálás: Cox et al. 1998 A közel periodikus örvényleválás beállta után az akusztikai forrásadatok kimentése

11. Henger körüláramlása keltette zaj CAA számítás: Fluent 6.2 – FW-H modul • Korrelációs hossz: L=26.3D • Forrásfelület: Henger felszíne (a térfogati források el vannak hanyagolva) • A CFD számításnál kimentett forrásadatok feldolgozása • Kapott eredmény: p’(t) hangnyomás jel egy távoltéri megfigyelőnél • p’(t)→DFT →zajspektrum Validálás: Cox et al., 1998

12. Henger körüláramlása keltette zaj Henger-1,2 hasonló eredményt ad A zaj erősen irányfüggő u0

13. Henger körüláramlása keltette zaj Szimmetria Két merőleges dipólus Jellemző frek Első felharm.

14. Henger körüláramlása keltette zaj Forrásfelületként nem a henger felszínét választva A választott határfelületen, a bezárt folyamatoknak egy reprezentációja jelenik meg. A megoldás tartalmazza a bezárt térfogatban jelenlévő kvadropólus jellegű forrásokat is. határfelület Az egyenlet forrástagjai elvesztik a szemléletes fizikai tartalmukat. (pl.: felületi nyomáseloszlás váltakozása)

15. Henger körüláramlása keltette zaj Forrásfelületként nem a henger felszínét választva u0 Jobb egyezés a spektrumnál Csekély irányfüggés

16. Henger körüláramlása keltette zaj Közel szimmetrikus

17. Szárnyprofil körüláramlása keltette zaj • A CFD számítást Nagy László készítette az Áramlástan Tanszéken • 3D RANS-LES • Cellaszám: n≈2000000 db • RAF6 szárnyprofil: • Húrhossz: C=0.1m • Állásszög: a=5º • Re=122000, Ma=0.03 • CFL≈1 • időlépés: Dt=3.5e-6 • Kimentett időlépések: 20 500 db • A CAA számítás a CFD számításbólkimentett forrásadatok alapján zajlott.

18. Szárnyprofil körüláramlása keltette zaj Homogén zaj A spektrum nem fizikai A hangnyomás jelben 40-50Pa-os ugrások vannak Erős irányfüggés (Dipólus) u0

19. Szárnyprofil körüláramlása keltette zaj Jól látható a zaj irányfüggése Nincsen jellemző frekvencia

20. Konklúzió • A FW-H modell jó eredményt adott a henger zajának számításánál • Az eredményeket validálni kell • Nem bonyolult a használata • Kis számításigény (a CFDhez képest elhanyagolható) • A CFD számítástól külön is végezhető (ha a forrásadatok el lettek mentve) Korlátozások: • Csak nyílt téri áramlásokra alkalmas(a nyílt-téri Green függvény miatt) • A zaj csak a távoltérre határozható meg (több hullámhossznyira)

21. Jövőbeli feladatok • Különböző turbulencia modellek hatásának vizsgálata a henger kapcsán • Kompresszibilis számítás hatásának vizsgálata (elsődlegesen a fallal nem egybeeső határfelület esetében) • Különböző határfelületek megválasztásnak hatása • A szárnyprofil zajának validálása, és további vizsgálata • Doppler hatás vizsgálata

22. Köszönöm a figyelmüket !