Combustion Noise

 

Das Forschungsprojekt

Modellierung der Schallabstrahlung
von Flammen mit akustischen Ersatzstrahlern

 
existiert seit Oktober 2002 an der Beuth Hochschule Berlin und ist in die überregionale Forschungsinitiative Combustion Noise eingebunden.

Die Mechanismen der Schallerzeugung bei Verbrennungsprozessen sind zurzeit nicht vollständig bekannt. Turbulente Freistrahlen (Jets) sind deutlich lauter im Falle reaktiver Strömungen, und auch die Schallspektren der offenen Jetflammen unterscheiden sich stark von den Spektren nicht brennender Jets. Die Unterschiede der charakteristischen Längen- und Zeitmaße zwischen Quellzone und Ausbreitungszone sind bei Verbrennungsprozessen noch größer als bei reinen Strömungen. Das fordert die separate Behandlung der verschiedenen Gebiete mit unterschiedlichen Methoden. Die hybriden Verfahren aus der Aeroakustik können derart erweitert werden, dass auch der Verbrennungslärm behandelt werden kann.

In dieser Arbeit werden die Strömungs- und Verbrennungsprozesse im nichtlinearen Bereich mit Hilfe einer inkompressiblen LES modelliert und die Schallausbreitung mittels der ESM bzw. der BEM berechnet.

 

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:

wobei die An die Amplituden der Strahler und die yn die entsprechenden Quellfelder sind.

Die BEM bestimmt den Schalldruck durch die Auswertung eines Integrals:

pS und vS der Druck bzw. die Geschwindigkeit auf der Oberfläche in Richtung der Oberflächennormalen n. Eine der Größen pS bzw. vS  muss vorgegeben sein.

Abbildung 1- Die reale Flamme wird als ein schwingender Zylinder modelliert
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 pS oder die Geschwindigkeit vS,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).

Abbildung 2: Generierung des akustischen Gitters (unten) aus dem Gitterpunkten der LES (oben)

 

HD-FlammeH3-Flamme
Brennstoff23%H2 / 77% N250% H2 /   50% N2
Austrittsgeschwindigkeit36,3 m/s34,8 m/s
Geschwindigkeit Coflow0,2 m/s0,2 m/s
Reynoldszahl1600010000
Mischungsbruch(stöch.)0,5830,310
Düsendurchmesser8 mm

8 m

Tabelle 2: Flammenkonfiguration HD und H3

Vergleich zwischen Simulation und Messungen

 

Zur Validierung des hybriden Modells wurde die abgestrahlte Schallleistung der zwei untersuchten Flammen gemessen. Die Kurven der simulierten und gemessenen Schallleistungen sind in Abb. 3 dargestellt. Die Übereinstimmung zwischen den experimentell ermittelten und den berechneten Schallleistungsspektren ist sehr gut bei der HD Flamme, aber bei der H3 sind deutliche Abweichungen zu erkennen. In beiden Fällen überschätzen die Simulationen die gemessenen Werte und der Abfall der Schallleistung wird oberhalb von 2 kHz durch die Berechnungen nicht wiedergegeben.

Abbildung 3: Simulierte und gemessene Kurven der Schallleistung

Erste Untersuchungen zeigen, dass die Abweichungen in der Schallleistung auf Störungen zurückgeführt werden können, die durch die Deckelfläche des zylindrischen Modells eingebracht wird, wobei bei der größeren H3-Flamme die Störungen weitaus stärker sind.

 

Zusammenfassung

 
Die ESM und die BEM, gekoppelt mit einer LES, können das abgestrahlte Schallfeld von offenen Jetflammen bestimmen. Bei gleichen Eingabedaten liefern beide akustischen Methoden ähnliche Ergebnisse. Die Resultate des hybriden Ansatzes LES-ESM bzw. LES-BEM wurden mit Messwerten verglichen. Die Übereinstimmung zwischen Simulationen und Messungen war bei der HD Flamme besser als bei der H3 Flamme. Die Ursache dieser Abweichungen muss noch geklärt werden, aber die Ergebnisse sind vielversprechend.

 

Ausblick

 

In der zweiten Projektphase soll die bisher erarbeitete Methodik weiterentwickelt werden. Dazu gehören neben der weiteren Ausarbeitung der Simulationsprogramme auch die intensive Untersuchung der Kopplung der Large-Eddy-Simulationen mit den akustischen Modulen und die Implementierung von Verfahren zur Optimierung von Position und Lage der Ersatzstrahler. Darüber hinaus stellt die Bereitstellung von Daten aus kompressiblen LES-Rechnungen durch TP2 (Bockhorn, Büchner) eine Erweiterung der bisherigen Untersuchungen dar. Die freie Diffusionsflamme wird mit der Kopplung an die kompressible Large-Eddy-Simulation abschließend untersucht werden. Dabei wird vor allem der Vergleich der Ergebnisse basierend auf den verschiedenen LES-Methoden (kompressibel/ inkompressibel) wichtig und aufschlussreich sein.

 

In Hinblick darauf, die Methoden für wirklichkeitsnahe Anwendungen zu entwickeln, wird das Hauptaugenmerk auf den eingeschlossenen Flammen liegen. Hier müssen die akustischen Methoden ESM und BEM an die veränderten Bedingungen angepasst werden, d.h. die teils geschlossene, teils offene Berandung muss berücksichtigt werden, einschließlich des Aspekts der inhomogenen Schallausbreitungsbedingung im Bereich des Strömungsaustritts. Mit Hilfe des Verfahrens komplexer Quellpunkte soll die zu erwartende ausgeprägte Richtwirkung der Schallabstrahlung eingeschlossener Aggregate modelliert werden können. Da sich gezeigt hat, dass die Messbedingungen in den Verbrennungslaboren nicht den idealen akustischen Bedingungen entsprechen, soll außerdem versucht werden, mit diesem Ansatz die Reflexionen der umgebenden Berandungen in die Berechnung zu integrieren.

 

Zur Verifizierung und Validierung der Methoden werden die Ergebnisse, die für die gemeinsamen Konfigurationen der Forschergruppe bezüglich eingeschlossener, vorgemischter bzw. nicht-vorgemischter Drallflammen ermittelt werden, mit den numerischen Simulationen des Teilprojektes 7 (akustische Störungsgleichungen) und den experimentellen Ergebnissen der Schallmessungen der Teilprojekte 2 und 6 verglichen.

 

Danksagung

 

Wir danken Prof. J. Janicka und Dipl.-Ing. F. Flemming von der TU Darmstadt für die Zusammenarbeit und die Bereitstellung der LES-Daten.

 

Literatur

 

[Fle 05]

Flemming et al.,
A hybrid approach for the evaluation of the radiated noise from a turbulent nonpremixed jet flame based on Large Eddy Simulation and equivalent source & boundary element methods, Proc. ICSV12, Lisbon, Portugal (2005)

[Bri 05]

Brick, Piscoya, Ochmann, Költzsch, 
Hybride LES/Kirchhoff-Methode zur Berechnung des Verbrennungsgeräusches von freien Flammen, DAGA 2005.

[Lyr 03]

Lyrintzis: 
Surface integral methods in computational aereoacoustics - from the (CFD) near field to the (acoustic) far field. International Journal of aeroacoustics 2 (2), (2003), 95-128

 

Kontakt

 

Dr.-Ing.Rafael Piscoya

Dipl.-Ing. Haike Brick

Prof. Dr.-Ing. Martin Ochmann

Tel.: (030) 4504 2804 / 2992 / 2931