Testek körüláramlása keltette zaj numerikus szimulációja

Testek körüláramlása keltette zaj Testek körüláramlása keltette zaj numerikus szimulációjanumerikus szimulációja

Szekeres Gábor(DQTP5Z)

Konzulens: Lohász Máté MártonBudapest, 2006.06.28 Bíráló: Vaik István

Áttekintés az elvégzett munkárólÁttekintés 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

CAA módszerekCAA módszerek

Direkt módszerekDirekt módszerek• Az áramlást leíró

kompresszibilis egyenletek megoldása– Direkt Numerikus Szimuláció

• Az áramkép tartalmazza a hangot is

• Rendkívül nagy számításigény

Hibrid módszerekHibrid 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.

Aeroakusztika:Aeroakusztika:• A nemlineáris hatásokat (pl. turbulencia) is figyelembe veszi, így maga az áramlás is lehet

hangforrás.• Az áramlás befolyásolhatja a hang terjedését

Akusztikai analógiaAkusztikai analógia

Az áramlástani alapegyenletek hullámegyenletre hozása:

Lighthill egyenlet:Lighthill egyenlet:ji

ij

xxT

ctc

2

20

22

2

20

1

ijijjiij cpuuT 20

ahol Tij a Lighthill feszültségtenzor

Hanghullámok terjedése Hangforrás

Nem alkalmazható szilárd test keltette zaj meghatározására.

Csak a turbulencia keltette zaj számítására alkalmas (például: szabadsugár)

Ffowcs-Williams Hawkings modellFfowcs-Williams Hawkings modell

A Lighthill egyenlet általánosítása:• Mozgó szilárd test jelenléte az áramlásban

Ffowcs-Williams és Hawkings egyenlet:Ffowcs-Williams és Hawkings egyenlet:

A forrástagok:A forrástagok:I. A test felszínén kívül keletkező kvadropólus típusú zajII. A mozgó felületre ható erő változása okozta dipólus típusú zajIII. A test által „elmozdított” folyadék monopólus típusú zaja

)()(

)()()(1

0

22

2

2

20

fvuvt

fvuunPx

fHTxx

ptp

c

nnv

nnijiji

ijji

I. II.

III.

u0 vn

S(t)

f>0

f<0

f=0

Ffowcs-Williams Hawkings modellFfowcs-Williams Hawkings modellAz egyenlet megoldása analitikusan meghatározható:

ahol G a nyílt-téri Green függvény:

A Ffowcs-Williams Hawkings egyenlet megoldása:A Ffowcs-Williams Hawkings egyenlet megoldása:

x, – kibocsátás helye, ideje

y, t – megfigyelés helye,ideje

A Fluentben elhanyagolva

dydytxGyQctxpt

t v

320 ),|,(),(),(

0

Henger körüláramlása keltette zajHenger körüláramlása keltette zaj

CFD számítás: CFD számítás: Fluent 6.2• Szegregált szolver• 2D, lamináris• Inkompresszibilis• Időfüggő (CFL≈1)• Re=1000, Ma=0.2

Diszkretizáció:Diszkretizáció:• Időbeli: másodrendű• Nyomás: másodrendű • Sebesség: centrális• Nyomás-sebesség kapcsolat: SIMPLE


Henger-1 háló


Henger-2 háló


ValidálásValidálás: Cox et al. 1998

A közel periodikus örvényleválás beállta után az akusztikai forrásadatok kimentése

Név c’L rms cD Sh n t Kimentett időlépések

Cox et al. 1.05 1.6 0.242 -- -- --

Henger-1 0.934 1.335 0.248 77 700 0.004 39 424

Henger-2 0.931 1.336 0.246 171 200 0.003 30 000


CAA számítás: CAA számítás: Fluent 6.2 – FW-H modul

• Korrelációs hossz: L=26.3 D• 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

ValidValidálásálás: Cox et al., 1998

Henger körüláramlása keltette zajHenger körüláramlása keltette zajHenger-1,2 hasonló eredményt ad

A zaj erősen irányfüggőu0


Jellemző frek Első felharm.

Szimmetria

Két merőleges dipólus


ForrForrásfelületként nem a henger felszínét választvaásfelületként nem a henger felszínét választva

határfelület

A választott határfelületen, a bezárt folyamatoknak egy reprezentációja jelenik meg.

A megoldás tartalmazza a bezárt térfogatban jelenlévő kvadropólus jellegű forrásokat is.

Az egyenlet forrástagjai elvesztik a szemléletes fizikai tartalmukat. (pl.: felületi nyomáseloszlás váltakozása)


ForrForrásfelületként nem a henger felszínét választvaásfelületként nem a henger felszínét választva

Jobb egyezés a spektrumnál

Csekély irányfüggés

u0

Henger körüláramlása keltette zajHenger körüláramlása keltette zajKözel szimmetrikus

Szárnyprofil körüláramlása keltette zajSzárnyprofil körüláramlása keltette zaj

• A CFD számítást Nagy László készítette az Áramlástan Tanszéken• 3D RANS-LES• Cellaszám: n≈2 000 000 db• RAF6 szárnyprofil:

– Húrhossz: C=0.1m– Állásszög: =5º

• Re=122 000, Ma=0.03• CFL≈1• időlépés: t=3.5e-6• Kimentett időlépések: 20 500 db• A CAA számítás a CFD számításból

kimentett forrásadatok alapján zajlott.

Szárnyprofil körüláramlása keltette zajSzárnyprofil körüláramlása keltette zaj

Homogén zaj

A spektrum nem fizikai

A hangnyomás jelben 40-50 Pa-os ugrások vannak

Erős irányfüggés (Dipólus)

u0

Szárnyprofil körüláramlása keltette zajSzárnyprofil körüláramlása keltette zajJól látható a zaj irányfüggése

Nincsen jellemző frekvencia

KonklúzióKonklúzió

• 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:Korlátozások:• Csak nyílt téri áramlásokra alkalmas

(a nyílt-téri Green függvény miatt)• A zaj csak a távoltérre határozható meg

(több hullámhossznyira)

Jövőbeli feladatokJövőbeli 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

Köszönöm a figyelmüket !Köszönöm a figyelmüket !

Documents

Testek körüláramlása keltette zaj numerikus szimulációja