Combustion Noise

Ausgangsfragestellung

Ziel der ersten Phase dieses Projektes war es, das methodische Werkzeug zu schaffen, um die Anwendbarkeit der Ersatzstrahlermethode auf aero- und thermodynamische Schallquellen zu untersuchen und diese Methode der numerischen Akustik für die Schallabstrahlung von Flammen aufzubereiten.

Dazu sollte die prinzipielle Anwendbarkeit dieser Methode untersucht werden, die in der Festkörperakustik weite Verbreitung gefunden hat. Anders als bei den dortigen Anwendungen muss die Quellenoberfläche bei aero- und thermoakustischen Quellen erst festgelegt werden. Da das Ersatzstrahlerverfahren auf einem Abgleich physikalischer Größen auf dieser Quellenoberfläche beruht, mussten für dieses Abgleichverfahren in Zusammenarbeit mit den kooperierenden Teilprojekten die erforderlichen und realisierbaren physikalischen Kenngrößen ermittelt und abgestimmt werden. Zur konkreten Gestaltung der Methode waren detaillierte Untersuchungen zur Art und Lage der Ersatzstrahler und zum geeigneten Optimierungskriterium notwendig. Dazu sollten die physikalischen Aspekte der Multipoldarstellung, vor allem aus der Theorie der Lighthillschen Akustischen Analogie, in der Methodenentwicklung berücksichtigt werden.

Auf Basis dieser Methode sollte die Schallabstrahlung von freien Flammen berechnet werden, deren akustisch relevante Kenngrößen experimentell (Messung kohärenter Strukturen) oder numerisch (Bestimmung der Geschwindigkeitsschwankungen an der Flammenoberfläche mit LES) von den Partnern der Forschergruppe bestimmt werden. Zur Validierung der Ergebnisse war im Gesamtprojekt der Vergleich mit akustischen Messungen geplant, ebenso wie der Vergleich mit den Ergebnissen der CAA-Simulationen von Teilprojekt TP7.

Die Entwicklung einer mit der Ersatzstrahlermethode verwandten akustischen Methode, der Boundary-Elemente-Methode, zum Zwecke der Verifizierung der Ergebnisse war ursprünglich für die zweite Projektphase vorgesehen, konnte aber schon in der ersten Phase weitestgehend realisiert werden.

Akustisches Modell

Zur Bestimmung der Schallabstrahlung wird die Flamme als ein abstrahlender Zylinder modelliert, deren Oberfläche S mit der lokalen Geschwindigkeit des Fluids schwingt (siehe Abb. 1).  Der Zylinder soll die Region mit nichtlinearen Strömungseffekten und Schallquellen vollständig umschließen, so dass das Medium außerhalb der Zylinderoberfläche annähernd homogen ist. Unter dieser Annahme werden zwei unterschiedliche Methoden verwendet, um das abgestrahlte Schallfeld zu bestimmen, die ESM und die BEM.

Die ESM ersetzt die schwingenden Zylinder durch eine Reihe von elementaren Strahlern, die die Schnelleverteilung auf der zylindrischen Oberfläche reproduzieren. Der Schalldruck wird dann als eine Summe der Felder der einzelnen Strahler definiert:

Kopplung zwischen LES und ESM/BEM

Für die numerischen Berechnungen wird die zylindrische Fläche mit einer bestimmten Anzahl von Elementen diskretisiert. Dabei hängen die Länge und der Radius des Zylinders sowie die Größe der Elemente von der verwendeten LES-Geometrie ab (Abb. 2).

Die ESM und BEM benötigen eine Feldgröße, den Druck p_S oder die Geschwindigkeit v_S,auf der Zylinderoberfläche, um die Schallabstrahlung zu berechnen. Aufgrund der Eigenschaften der inkompressiblen LES wurde die Geschwindigkeit als Kopplungsvariable gewählt. Die Geschwindigkeitsdaten der LES müssen vom Zeitbereich in den Frequenzbereich transformiert werden, bevor sie an die akustischen Methoden übergeben werden. Der Frequenzbereich der Berechnung ist von der zeitlichen Auflösung und Länge des Geschwindigkeitssignals und von der räumlichen Auflösung des akustischen Gitters bestimmt.

Untersuchte Flammen

Es wurden zwei freibrennende Flammen untersucht, die kurz als HD- und H3- Flamme bezeichnet werden. Bei beiden Flammen handelt es sich um nicht-vorgemischte Jetflammen. Die unterschiedliche Zusammensetzung des Brennstoffgemischs der Flammen bestimmt charakteristische Flammengrößen wie Reynoldszahl und Mischungsbruch (Tabelle 1).