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ISAVE - 2011 Folie 1 Von der Strömungsmechanik zur Strömungsakustik Frank Kameier (Professor für Strömungstechnik und Akustik)

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Präsentation zum Thema: "ISAVE - 2011 Folie 1 Von der Strömungsmechanik zur Strömungsakustik Frank Kameier (Professor für Strömungstechnik und Akustik)"—  Präsentation transkript:

1 ISAVE Folie 1 Von der Strömungsmechanik zur Strömungsakustik Frank Kameier (Professor für Strömungstechnik und Akustik) FB Maschinenbau und Verfahrenstechnik - Kompetenzplattform „Sound and Vibration Engineering“ - Herkunft einiger Gleichungen und Begriffe Schalldruck, Schalldruckpegel, Schallleistung, Schallleistungspegel Schallintensität, Energieflussdichtevektor, Enthalpie einfache CFD als „Strömungssichtbarmachung“ – Quellenlokalisierung Reynoldsgleichung Potenzgesetze

2 ISAVE Folie 2 Tonerzeugung durch Wind, Äolsharfen (nach A. Kircher, Quelle: Költzsch 2006)

3 ISAVE Folie 3 Tonerzeugung durch Wind, Äolsharfen (nach A. Kircher, Quelle: Költzsch 2006)

4 ISAVE Folie 4 „Sprache“ der Akustik Physik allgemeine Akustik, Psychoakustik, Lärmwirkung Elektrotechnik Messtechnik allgemeiner Maschinenbau Maschinenakustik, Lärmwirkung Die Akustik wird in der Sprache der Physik, der Elektrotechnik und der allgemeinen Mechanik vermittelt.

5 ISAVE Folie 5 Technische Akustik – Zuordnung als Fachgebiet Verknüpfung zur Strömungsmechanik … instationäre Strömungen turbulente Strömungen Gasdynamik / Thermodynamik

6 ISAVE Folie 6 Auftrieb und Bernoulli-Gleichung Quelle: WDR, Quarks, 6/1999,

7 ISAVE Folie 7 Bernoulli-Gleichung 1-dimensionale Stromfadentheorie mechanische Energiebilanz gültig nur für  inkompressible Medien  stationäre Strömungen  reibungsfreie Strömungen  im Schwerefeld der Erde  hinsichtlich akustischer Anwendungen

8 ISAVE Folie 8 Momentanwert=Mittelwert + Schwankungsgröße [ V ] [V DC ] [V AC ] Instationäre Aerodynamik  zeitliche Schwankungsgrößen

9 ISAVE Folie 9 mit Vergleich von Gleich- und Wechselstrom Standardabweichung - Gleich- und Wechselgröße

10 ISAVE Folie 10 laminare und turbulente Strömung (Reynoldscher Farbfadenversuch) Quelle: Liggett, Caughey, Fluid Mechanics - An Interactive Text, ASME 1998 laminar  periodisch (instabil)  turbulent Re<2000 (bis zu 40000) Re  2300 Re>2300 Reynolds.wmf

11 ISAVE Folie 11 Reynoldszahl – dimensionslose Geschwindigkeit c = charakteristische Geschwindigkeit D= charakteristischer Durchmesser = kinematische Zähigkeit laminares und turbulentes Rohrströmungsprofil U~r 1/7 U~r 2 normierte Auftragung! Es gibt keine laminare oder turbulente Strömung – es gibt nur wandnahe Strömungen (Grenzschichten), die laminar oder trubulent sind!

12 ISAVE Folie 12 Schematische Darstellung einer Plattengrenzschicht, Korschelt/Lackmann (1995). Laminare und turbulente Grenzschicht - ebene Plattenumströmung -

13 ISAVE Folie 13 Schlichting, Boundary Layer Theory Laminare und turbulente Grenzschicht - instationäre Effekte -

14 ISAVE Folie 14 Kelvin-Helmholtz-Instabilitäten (Quelle: Költzsch 2006) … Wirbelverschmelzen (Oertel/Delfs 1996)

15 ISAVE Folie 15 Quelle: Multi-Media Fluid Mechanics, Cambridge 2000 baseballcombo.mov spehredragcombo2.mov Laminare und turbulente Grenzschicht (Kugelumströmung)

16 ISAVE Folie 16 K á rm á nsche Wirbelstra ß e / Strouhalfrequenz Quelle: R. Feynman, Lectures on Physics, Tacoma Narrows Bridge, 1940

17 ISAVE Folie 17

18 ISAVE Folie 18 K á rm á nsche Wirbelstra ß e verursacht str ö mungsinduzierte Schwingung Ferrybridge, England 1965 Ref.: Sahlmen, Niemann

19 ISAVE Folie 19 zeitliche Schwankungsgrößen allgemeine Rechenregeln

20 ISAVE Folie 20 Beispiel: Prandtlsches Staurohr in turbulenter Strömung 0 Fazit: Das Staurohr misst in turbulenter Strömung zu große Geschwindigkeiten!

21 ISAVE Folie 21 Schalldruck und Schallschnelle Schalldruckpegel (menschliche Hörschwelle bei 1000 Hz)

22 ISAVE Folie 22 Akustik und Strömungstechnik - theoretisch ganz nah - Akustik Strömungstechnik (Schallintensität) (a=Schallgeschwindigkeit) (oder W)

23 ISAVE Folie 23 Schallintensität Schallgeschwindigkeit für ideale Gase Energieflussdichtevektor Energiesatz h=spez.Enthalpie Schallleistung

24 ISAVE Folie 24 Impulserhaltung - Masse*Beschleunigung=Kraft

25 ISAVE Folie 25 lokale und konvektive Beschleunigung - Ableitungen nach der Zeit lokale Beschleunigung konvektive Beschleunigung substantielle Beschleunigung = nicht linear 2 1

26 ISAVE Folie 26 Reynoldsgleichung Impulssatz für inkompressible newtonsche Fluide (Navier-Stokes-Gleichung) Mittelwerte und Schwankungsgrößen

27 ISAVE Folie 27 Reynoldsgleichung – zeitlich gemittelt = RANS „turbulente“ Zähigkeit  Turbulenzmodelle etc. zeitliche Mittelung der Gleichung Konti-Gl. und Produktregel rückwärts nicht lineare partielle Differentialgleichung mit Orts- und Zeitabhängigkeit

28 ISAVE Folie 28 Akustische Betrachtungsweise Konti-Gleichung Impuls-Gleichung 0 (reibungsfrei)(Erdbeschleunigung) 0

29 ISAVE Folie 29 Akustische Wellengleichung Aus der Thermodynamik folgt, dass dieser Term nur einen Beitrag für anisentrope Strömungen und für Strömungen mit einer sich von der Ruheschallgeschwindigkeit a o unterscheidenden Schallgeschwindigkeit a liefert. Wellengleichung mit 2. Orts- und 2. Zeitableitung  lineare partielle Differentialgleichung

30 ISAVE Folie 30 Lösung der akustischen Wellengleichung 3-dimensionale Wellenausbreitung axial - radial - azimutal

31 ISAVE Folie 31 Inhomogene akustische Wellengleichung

32 ISAVE Folie 32 Quelle: P. Költzsch, Geräuscherzeugung durch Strömungen, Grundlagen und Überblick, Vortragsreihe FH Düsseldorf 2008 STRÖMUNGS- MECHANIK Momentanwerte AKUSTIK: Schwankungsgrößen

33 ISAVE Folie 33 Quelle: P. Költzsch, Geräuscherzeugung durch Strömungen, Grundlagen und Überblick, Vortragsreihe FH Düsseldorf 2008

34 ISAVE Folie 34 Quelle: P. Költzsch, Geräuscherzeugung durch Strömungen, Grundlagen und Überblick, Vortragsreihe FH Düsseldorf 2008

35 ISAVE Folie 35 Berechnung eines strömungsakustischen Phänomens 1,5 Millionen Elemente Platte stromab Hiebton - Zylinder- umströmung Aeols-Ton (Kármánsche Wirbelstraße)

36 ISAVE Folie 36 Str ö mungsinduzierte Schwingung mit Feed-Back-Loop

37 ISAVE Folie 37 moderate Auflösung und „schlechtes“ Netz 1,5 Millionen Elemente

38 ISAVE Folie 38 Zylinder-Platte-Konfiguration und rotierende Instabilitäten

39 ISAVE Folie 39 Theorie: Strömungsakustische Potenzgesetze

40 ISAVE Folie 40 Freistrahl - Zylinder - Zylinder/Platte Spektrale Verteilung

41 ISAVE Folie 41 Michael Winkler / Klaus Becker FH Köln und Frank Kameier FH Düsseldorf vermutlich zu leise Freistrahl – eher U^8 Zylinder U^6 Zylinder+Turbulenz eher U^8 vermutlich Abstand Zylinder / Platte nicht für lautesten Punkt angepasst (aerodynamische Wellenlänge passt nicht) Schalldruckpegel versus Strömungsgeschwindigkeit

42 ISAVE Folie 42 ° ° ° ° ° ° ° dB Richtcharakteristik Zylinder und Zylinder/Platte Zylinder Zylinder + Platte Mikrofonabstand1 m Winkelauflösung5° Neigungswinkel22.5° u20 m/s G / D4 S / D0 Michael Winkler / Klaus Becker FH Köln

43 ISAVE Folie 43 Teamwork Igor Horvat, M.Sc.Eng. (Hako-Werke GmbH zuvor FH Düsseldorf) Dipl.-Ing. Michael Winkler, (FH Köln) Prof. Dr.-Ing. Klaus Becker (FH Köln) Dr.-Ing. Dörte Sternel (TU Darmstadt)


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