Aeroacoustic simulation of flow parts in medical and automotive applications

Autor: Wurzinger, Andreas
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2020
Předmět:
DOI: 10.34726/hss.2020.76441
Popis: Ein Großteil aller weitverbreiteten technischen Anwendungen ist in der einen oder anderen Weise mit Schall verknüpft, sei es der gewünschten der gewünschte Schall von Musikinstrumenten oder die Geräusche von technischen Maschinen. Des Weiteren ist das Sprechen eine der wichtigsten Kommunikationsmethoden, welche üblicherweise im täglichen Leben als gegeben angenommen wird. Computational Aeroacoustics (CAA) bietet eine Toolbox, um akustische Schallentstehung und Ausbreitung numerisch zu simulieren. Ein effizientes Werkzeug um strömungsinduzierten Schall zu simulieren, ist der in dieser Diplomarbeit vorgestellte hybride Ansatz. Dabei wird der Fokus auf den akustischen Teil sowie dafür notwendiges Pre-Processing gelegt. Zuerst werden die Grundlagen der Strömungsmechanik und Akustik präsentiert, und die entsprechenden Differenzialgleichungen besprochen. Anschließend wird der Workflow Schritt für Schritt erklärt und ein kurzer Überblick über die verwendeten numerischen Methoden gegeben. Zusätzlich werden zwei verschiedene konservative Algorithmen zur Interpolation zwischen den Rechengittern von CFD (Computational Fluid Dynamics) und CAA bezüglich ihrer Anwendungsgrenzen untersucht. Abschließend wird der vorgestellte Ablauf auf ein Axialgebläse angewandt. Eine Gitternetz-Studie sowie die Validierung der Simulationsergebnisse mittels experimenteller Daten zeigen die Anwendbarkeit beider Algorithmen. Außerdem beinhaltet diese Arbeit eine Quelltermanalyse der akustischen Quellen im menschlichen Stimmbildungsmechanismus. Dazu werden die lokale Zeitableitung des Strömungsdrucks sowie der konvektive Teil der rechten Seite der PCWE (Perturbed Convective Wave Equation) und Strömungsgrößen im Zeit- und Frequenzbereich dargestellt. Diese Darstellungen geben Einblick in den lokalen Einfluss des konvektiven Teils im Gegensatz zur breiter verteilten lokalen Zeitableitung des inkompressiblen Drucks der Strömung. Die Interpretation dieser Quellen liefert Erklärungen und Erkenntnisse für die im Zusammenhang mit dem Projekt Numerical computation of the human voice source entstandenen Simulationsergebnissen.
Most technical applications are connected with the production of sound, either as a main output or a by-product. Furthermore, speech is one of the most important human communication methods and the majority of people takes it for granted in everyday life. Computational aeroacoustics (CAA) provide a toolbox to numerically simulate sound generation and propagation. A computationally efficient tool to handle flow induced sound generation is the hybrid approach that is presented in this thesis. This hybrid approach incorporates a separation of fluid dynamics and acoustics. Thereby, this work focuses on the acoustic part and its pre-processing, investigating several key steps in the hybrid workflow. Starting with the fundamentals of fluid dynamics and acoustics, the differential equations used in this work are presented. Thereafter, the CAA workflow is explained and a small overview of the numerical tools, that were used, is given. Furthermore, the conservative interpolation between CFD (Computational Fluid Dynamics) and CAA grids is investigated regarding the limitations of two different algorithms. Finally, these methods are applied to an axial fan. A grid study and validation with experimental data shows the applicability of both methods. Additionally, this work includes a source term analysis of acoustic sources, generated during the human voice production mechanism. Therefore, the local time derivative and the convective part of the PCWE (Perturbed Convective Wave Equation) right-hand-side source, as well as various of their components and flow quantities are visualized in time and frequency domain. These visualizations yield insight in the localized impact of the convective source part in contrast to the more distributed local time derivative of the incompressible flow pressure. Furthermore, interpretation of the source fields delivers explanations for results obtained in the project Numerical computation of the human voice source.
Databáze: OpenAIRE
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