Simulation und Modellierung eines turbulent überströmten Helmholtzresonators

When gas flows along a surface containing a cavity or gap, this fluid-dynamical process is likely linked with acoustical effects. Primarily, in the transport and energy sector, the phenomenon occurs frequently: gas flows around land and air vehicles or streams inside duct systems and engines. A key challenge for these examples is either to prevent cavity noise before it arises or to reduce existing tonal noise by installing a cavity absorber. The present thesis deals with a Helmholtz resonator beneath a turbulent flat plate flow. This representative example includes all the mentioned phenomena of acoustic excitation or damping under realistic conditions. For the first time, a Direct Numerical Simulation of a three-dimensional Helmholtz resonator excited by a turbulent flow is conducted, and an unprecedented database is set up. To effectively simulate on a high performance computing center, a multi-block parallelization method is developed and implemented for complex geometries. A universal acoustic model of the Helmholtz resonator under grazing flow is derived, based on the new numerical database, previous theories by Howe, and experiments by Golliard. This acoustic model stands out through its uniquely defined and physically meaningful parameters, instead of fitted constants. Utilizing the lumped element method, the model consists of exchangeable impedance elements which guarantee a flexible use. The model enables the user to understand and to trace back how a modification of design parameters like the spatial form or the type of incoming flow affects the sound spectrum. The model is validated for low Mach number flows (M=0.01-0.14) and frequencies around the Helmholtz resonator base frequency. Hence, an industrial user is no longer dependent on expensive and time-consuming test series within this typical range of operation. A priori, rather than by trial-and-error approach, the sound absorption spectrum can be easily tuned for specific frequencies. Consequently, the developed model simplifies the design process of cavity absorbers. Furthermore, the model predicts fluid and acoustic resonance conditions and such allows the design engineer to avoid tonal cavity noise in advance. In doing so, the user of the model can circumvent noise pollution and material wear before it occurs.Wenn Gas über eine Fläche strömt, die einen Hohlraum oder Spalt aufweist, ist dieser fluiddynamische Prozess oft mit akustischen Effekten gekoppelt. Insbesondere in der Transport- und Energiebranche tritt das Phänomen häufig auf: Hier strömt Gas um Land- und Luftfahrzeuge oder innerhalb von Rohrsystemen und Motoren. Ein zentrales Anliegen bei diesen Beispielen ist es, die Entstehung von Hohlkammer-Lärm zu verhindern oder bereits bestehende Töne durch die Installation von Hohlkammerabsorbern zu reduzieren. Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit einem Helmholtzresonator, angeströmt durch eine turbulente Plattenströmung. Dieses repräsentative Beispiel beinhaltet all die genannten Phänomene von Schallerzeugung sowie von Schalldämpfung unter realitätsnahen Bedingungen. Erstmalig wird eine Direkte Numerische Simulation eines dreidimensionalen Helmholtzresonators, welcher durch turbulente Strömung angeregt ist, durchgeführt und eine Datenbasis aufgebaut. Um die Simulation effizient auf einem Höchstleistungsrechenzentrum auszuführen, wird eine Multi-Block-Parallelisierungsmethode für komplexe Geometrien entwickelt und implementiert. Ein universelles, akustisches Modell des überströmten Helmholtzresonators wird basierend auf der neuen numerischen Datenbasis, auf bisherigen Theorien von Howe und auf Experimenten von Golliard hergeleitet. Das akustische Modell hebt sich hervor durch seine eindeutig definierten und physikalisch aussagekräftigen Parameter, anstatt durch angepasste Konstanten. Durch die Verwendung von austauschbaren, konzentrierten Impedanzelementen ist das Modell variabel einsetzbar. Mit Hilfe des Modells kann verstanden und nachverfolgt werden, wie eine Änderung von Auslegungsparametern (z.B. von Geometrie oder der Art der einfallenden Strömung) auf das Klangspektrum wirkt. Das Modell ist für kleine Machzahlen (M=0.01-0.14) und für Frequenzen nahe der Helmholtzresonator Grundfrequenz validiert. Innerhalb dieses typischen Betriebsbereiches ist ein Anwender somit nicht mehr auf aufwändige Versuchsreihen angewiesen. Ohne Versuche kann das Schallabsorptionsspektrum direkt auf bestimmte Frequenzen abgestimmt werden. Damit wurde ein Modell entwickelt, welches die Auslegung von Hohlkammerabsorbern vereinfacht. Außerdem kann das Modell fluiddynamische sowie akustische Resonanzbedingungen vorhersagen und erlaubt es dem Konstruktionsingenieur, Pfeifen von Kavitäten schon vor dem ersten Praxis-Test zu vermeiden. So kann Lärmbelastung und Materialabnutzung verhindert werden, bevor sie entsteht.DFG, 378373148, Akustische Untersuchung einer Hohlkammer in turbulenter Strömun