Von der Strömungsmechanik zur Strömungsakustik

Präsentation zum Thema: "Von der Strömungsmechanik zur Strömungsakustik"—  Präsentation transkript:

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

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

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

4 „Sprache“ der Akustik Die Akustik wird in der Sprache der Physik, der Elektrotechnik und der allgemeinen Mechanik vermittelt.

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

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

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

8 Instationäre Aerodynamik  zeitliche Schwankungsgrößen
Momentanwert=Mittelwert + Schwankungsgröße [ V ] [VDC] [VAC]

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

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

11 laminares und turbulentes
Reynoldszahl – dimensionslose Geschwindigkeit c = charakteristische Geschwindigkeit D= charakteristischer Durchmesser  = kinematische Zähigkeit 2 Es gibt keine laminare oder turbulente Strömung – es gibt nur wandnahe Strömungen (Grenzschichten), die laminar oder trubulent sind! 1.5 normierte Auftragung! 1 U~r 1/7 0.5 U~r 2 -0.5 0.5 laminares und turbulentes Rohrströmungsprofil

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

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

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

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

16 Kármánsche Wirbelstraße / Strouhalfrequenz
Tacoma Narrows Bridge, 1940 Quelle: R. Feynman, Lectures on Physics,

17

18 Kármánsche Wirbelstraße verursacht strömungsinduzierte Schwingung
Ferrybridge, England 1965 Ref.: Sahlmen, Niemann

19 zeitliche Schwankungsgrößen
allgemeine Rechenregeln

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

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

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

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

24 Impulserhaltung - Masse*Beschleunigung=Kraft

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

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

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

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

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 ao unterscheidenden Schallgeschwindigkeit a liefert. Wellengleichung mit 2. Orts- und 2. Zeitableitung  lineare partielle Differentialgleichung

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

31 Inhomogene akustische Wellengleichung

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

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

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

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

36 Strömungsinduzierte Schwingung mit Feed-Back-Loop

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

38 Zylinder-Platte-Konfiguration und rotierende Instabilitäten

39 Strömungsakustische Potenzgesetze
Theorie: Strömungsakustische Potenzgesetze

40 Spektrale Verteilung Freistrahl - Zylinder - Zylinder/Platte

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

42 Richtcharakteristik Zylinder und Zylinder/Platte
Mikrofonabstand 1 m Winkelauflösung 5° Neigungswinkel 22.5° u 20 m/s G / D 4 S / D 0 dB Michael Winkler / Klaus Becker FH Köln

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)