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The turbulent flow over flexible surfaces is normally associated with relevant acoustic sound radiation. A mechanism is the sound generation due to turbulent pressure fluctuations in the flow field. This is denoted as aeroacoustic sound radiation. Another mechanism is the sound radiation induced by vibrating mechanical structures. This is denoted as vibroacoustic sound. The excitation of mechanical structures can be caused by hydrodynamical wall pressure fluctuations from turbulent eddy structures in the flow field as well as from pressure forces induced by sound waves which have spatial dimensions matching to the wave length of the structural eigenmodes. In case of vibroacoustic sound radiation, the current work is focused on the excitation of plate like structures due to forces generated by hydrodynamical wall pressure fluctuations in order to compute the vibroacoustic sound radiation. A method for the numerical calculation of the fluid–structure–acoustics interaction is introduced. First principal investigations in this work deal with an aerodynamic test case consisting of a quadratic wall–mounted square cylinder in conjunction with a flexible flat plate placed in the turbulent wake of the cylinder obstacle. The aeroacoustic sound radiation from the turbulent flow field was computed based on acoustic source terms with help of Lighthill’s acoustic analogy. The turbulent flow field for the calculation of acoustic source terms and for the determination of the hydrodynamical wall forces was analysed by LES. Measurements of the square cylinder’s sound radiation in an acoustic wind tunnel showed good comparability to the numerical results. The vibroacoustic sound radiation was computed based on the acoustic particle velocity of the vibrating flexible plate’s surface. The two–sided coupled computation of the fluid load induced structural vibrations and the vibroacoustic sound radiation was compared with a one–sided approach. It is shown, that due to the consideration of the influence of the acoustic medium on the vibrating plate, a significant reduction of the plate’s sound radiation occurs. As a result of the omitted back–coupling of the structural displacements on the flow field, the introduced approach is limited to applications with negligible small mechanical displacements. Motivated from performance loss issues of sonar systems caused by flow induced vibrations of hydrophone hulls, the fluid–structure–acoustics interaction methodology was applied on the computation of the vibroacoustic sound radiation into a water filled cavity in the interior of a towed underwater vehicle with turbulent outer flow. The towed underwater vehicle was equipped with an acoustic window in form of a thin steel plate on one of its planar side areas. Based on numerical investigations of the outer flow field of the underwater vehicle, the turbulent boundary layer flow in the vicinity of the acoustic window was abstracted as a turbulent periodic half–channel flow and analysed with help of LES. Comparison of the turbulent wall pressure spectra at the acoustic window between simulation and experiments showed good comparability. The pressure field in the cavity induced by the vibration of the acoustic window was investigated with a two–sided coupled simulation to consider the interaction between the pressure field and the vibrations of the acoustic window. The comparison of the pressure levels in the interior of the cavity between measurements and simulation showed comparable values for low frequencies. For higher frequencies, differences due to the absence of damping effects and spatial resolution limits in terms of the hydrodynamical force distribution in the simulation were evident. The wavenumber–frequency analysis of the pressure field yielded a separation between the acoustic pressure and the pressure induced by the eigenmodes of the vibrating plate. The change of the dispersion relation of the acoustic window plate caused by the coupling to water was reproduced correctly. Conclusively, in the current work, a fluid–structure–acoustics interaction approach for wall–bounded turbulent flows and structural vibrations with small amplitudes is introduced. The amount of modelling for the computation of the participated physical phenomena was minimized. Die turbulente Umströmung flexibler Oberflächen induziert in der Regel relevante akustische Schallabstrahlung. Ein Mechanismus ist hierbei die Schallerzeugung durch turbulente Druckfluktuationen des Strömungsfeldes. Dieser Schall wird als aeroakustischer Schall bezeichnet. Ein weiterer Mechanismus ist die Schallabstrahlung aufgrund der Vibration flexibler überströmter mechanischer Strukturen. Dies wird als vibroakustischer Schall bezeichnet. Die Anregung der mechanischen Strukturen kann sowohl über hydrodynamische Wanddruckschwankungen basierend auf den turbulenten Wirbelstrukturen des Strömungsfeldes, als auch über Druckräfte von Schallwellen deren räumliche Dimensionen mit den Wellenlängen der Struktureigenmoden zusammenfallen, erfolgen. Im Falle vibroakustischer Schallabstrahlung konzentriert sich die vorliegende Arbeit auf die Anregung von Plattenstrukturen über Kräfte aus hydrodynamischen Wanddruckschwankungen zur Berechnung des vibroakustischen Schalls. Es wird eine Methodik zur numerischen Berechnung der Fluid–Struktur–Akustik Wechselwirkung für turbulent überströmte flexible Platten vorgestellt. Erste grundlegende Untersuchungen in dieser Arbeit beschäftigen sich mit einem aerodynamischen Testfall bestehend aus einem quadratischem Zylinder in Verbindung mit einer flexiblen Platte, welche sich im turbulenten Nachlauf des flach an der Oberfläche montierten Zylinders befindet. Die aeroakustische Schallabstrahlung des turbulenten Strömungsfeldes wurde ausgehend von akustischen Quelltermen mithilfe Lighthills akustischer Analogie berechnet. Das turbulente Strömungsfeld zur Quelltermberechnung sowie zur Ermittelung der hydrodynamischen Wandkräfte wurde mittels LES berechnet. Schallfeldmessungen der Geometrie in einem akustischen Windkanal zeigten gute Vergleichbarkeit mit den numerischen Ergebnissen. Die vibroakustische Schallabstrahlung wurde ausgehend von der Oberflächenschnelle der vibrierenden flexiblen Platte berechnet. Die zweiseitig gekoppelte Berechnung der durch Strömungslasten angeregten Strukturvibration und der vibroakustischen Schallabstrahlung wurde mit einem einseitig gekoppelten Ansatz verglichen. Es zeigte sich, dass durch das Berücksichtigen der Rückwirkung des akustischen Mediums auf die vibrierende Platte bei der zweiseitigen Kopplungen eine signifikante Reduktion der Schallabstrahlung der Plattenmoden stattfindet. Aufgrund der fehlenden Rückkopplung der Strukturverschiebungen auf das Strömungsfeld ist der vorgestellte Ansatz nur für Anwendungen mit vernachlässigbar kleinen Verformungen zulässig. Motiviert durch die Problematik der Reduktion des Signal–Rausch Verhältnisses bei Sonarsystemen aufgrund strömungsinduzierter Vibrationen der Verkleidungen von Hydrophonarrays wurde die Methodik zur Berechnung der Fluid–Struktur–Akustik Wechselwirkung zur Ermittelung des vibroakustischen Schalleintrags in eine wassergefüllte Kavität im Inneren eines turbulent umströmten Unterwasserschleppkörpers angewendet. Der Unterwasserschleppkörper war mit einem akustischen Fenster in Form einer dünnen Stahlplatte auf einer seiner ebenen Seitenflächen ausgerüstet. Basierend auf einer Untersuchung der Gesamtumströmung des Schleppkörpers wurde die turbulente Grenzschicht im Bereich des akustischen Fensters als turbulente, periodischen Halbkanalströmung abstrahiert und mittels LES untersucht. Vergleiche der turbulenten Wanddruckspektren an der Stelle des akustischen Fensters zwischen Simulationen und Messungen am Schleppkörper zeigten gute Übereinstimmung. Das vibrationsinduzierte Druckfeld in der Kavität wurde durch eine zweiseitig gekoppelte Simulation, welche die Wechselwirkung zwischen dem Druck in der Kavität und den Vibrationen des akustischen Fenster berücksichtigte, berechnet. Vergleiche der Druckpegel in der Kavität zeigten ein vergleichbares Niveau des Schalldruckpegels zwischen Simulation und Messung im niedrigen Frequenzbereich. Für höhere Frequenzen ergaben sich Abweichungen aufgrund fehlender Dämpfung und der limitierten räumlichen Auflösung der hydrodynamischen Kräfte in der Simulation. Die Analyse des Druckfeldes der Kavität mithilfe der Wellenzahl–Frequenz Zerlegung ermöglichte die Trennung zwischen dem akustischen Schallfeld und dem Druckanteil aufgrund der Struktureigenmoden des akustischen Fensters. Die veränderte Dispersionsrelation des akustischen Fensters aufgrund der Kopplung an das akustische Medium wurde korrekt wiedergegeben. Zusammenfassend zeigt die Arbeit einen Ansatz zur Fluid–Struktur–Akustik Wechselwirkung für wandgebundene turbulente Strömungen und Strukturvibrationen kleiner Amplituden. Der Modellierungsanteil bei der Berechnung der beteiligten physikalischen Phänomene wurde minimiert. |
