Akustische Nachberechnung von Ventilatoren (Grobstruktursimulation)

Vorhaben: IGF-Nr. 17747N (L238)

 

Laufzeit: 01.06.2013 – 30.09.2016
Forschungsvereinigung: Forschungsvereinigung für Luft- und Trocknungstechnik e.V. - FLT
Forschungsstelle: Lehrstuhl für Strömungslehre und Aerodynamisches Institut, RWTH Aachen
Leiter: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Schröder
Bearbeiter: M.Sc. Alexej Pogorelov und M.Sc. Seyed Mohsen Alavi Moghadam

 

Abb. 1: Schematische Darstellung des Axiallüfters [2].
Abb. 2: Kartesisches Rechengitter des Axiallüfters [2].
Abb. 3: Rechengitterauflösung im Spaltbereich [2].

Im Rahmen des Projektes wurde das turbulente Strömungsfeld um einen rotierenden Axiallufter bei Variation der Zuströmbedingungen sowie der Spaltgröße mit Hilfe hochgenauer Grobstruktursimulationen berechnet. Eine Herausforderung bei dieser Problemstellung besteht darin, ein hochwertiges Rechengitter mit einer ausreichenden Auflösung des gesamten Strömungsfeldes zu erzeugen. Für die Strömungssimulationen wurden Rechengitter in einer Großenordnung von 250 Millionen bis zu 1.6 Milliarden Gitterzellen verwendet. Die aus den instationären Daten des Strömungsfeldes extrahierten Quellterme in Form des fluktuierenden Lamb-Vektors wurden anschließend verwendet, das akustische Feld mit den akustischen Störunggleichungen (acoustic perturbation equations (APE)) zu berechnen. Zur Durchführung der Simulationen wurden die Hochleistungsrechnersysteme des HLRS Stuttgart sowie des Forschungszentrums Jülich verwendet. Die Grobstruktursimulationen sowie die akustischen Lösungen wurden mit Hilfe von experimentell ermittelten Daten validiert. Es wurde gezeigt, dass das zur Verfügung stehende, an der Forschungsstelle- Aerodynamisches Institut, RWTH Aachen- entwickelte numerische Verfahren sowohl das Strömungsfeld als auch den aeroakustisch erzeugte Lärm von Lüftern sehr genau vorhersagen kann, d.h. Detailinformationen bzgl. der turbulenten Strömung und des akustischen Feldes fur einen Axiallüfter liefert. Diese Daten werden zur Validierung weiterer CFD Simulationen sowie der stochastischen Quelltermformulierung des DLR Braunschweig herangezogen.

 

Insgesamt sollten für drei definierte Lüfterkonfigurationen sowohl das Strömungsfeld als auch das akustische Feld berechnet werden. Zusätzlich zu den drei vordefinierten Konfigurationen wurden weitere Betriebspunkte untersucht, die einen tieferen Einblick in die komplexen für den akustischen Lärm verantwortlichen Strömungsphänomene erlauben. Es wurde der Einfluss des Volumenstroms sowie der Spaltgroße auf das Strömungsfeld mit dem Fokus auf die Lärmmechanismen untersucht und somit die Gründe für einen Anstieg des Schallpegels bei einer Vergrösserung des Spaltes bzw. bei einer Reduktion des Volumenstroms nachgewiesen.

Mit der Grobstruktursimulation (Large-Eddy Simulation (LES)) wurden Effekte wie die Interaktion des turbulenten Nachlaufs mit der Schaufelvorderkante sowie lokale Ablösungen auf der Schaufelsaugseite und die dadurch hervorgerufene turbulente Transition, die in der Regel durch RANS-Modelle nicht aufgelöst werden können, erfasst.

Das Ziel des Forschungsvorhabens ist erreicht worden.

Abb. 5: Instantane Aufnahme der mit Hilfe des QKriteriums dargestellten Wirbelstrukturen; die Strukturen sind mit der relativen Machzahl eingefärbt [2].
Abb. 4: Zeitliche Variation des Strömungsfeldes [2].

Abb. 6: Akustisches Feld

s/Do = 0.001
s/Do = 0.01
s/Do = 0.001 + turbulente Zuströmung

Das IGF-Vorhaben 17747 N (L238) der Forschungsvereinigung Luft- und Trocknugstechnik e.V. wurde über die AIF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.