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Investigating the Aeroacoustic Performance of the Partially Averaged Navier-Stokes Method

Moosavifard, Arezoo (2024)
Investigating the Aeroacoustic Performance of the Partially Averaged Navier-Stokes Method.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00026644
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

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Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: Investigating the Aeroacoustic Performance of the Partially Averaged Navier-Stokes Method
Language: English
Referees: Schäfer, Prof. Dr. Michael ; Jakirlic, Apl. Prof. Suad
Date: 26 March 2024
Place of Publication: Darmstadt
Collation: xiv, 115 Seiten
Date of oral examination: 31 January 2024
DOI: 10.26083/tuprints-00026644
Abstract:

Aeroacoustics is the field of research dedicated to studying the generation and propagation of sound resulting from the interaction of unsteady flows with solid structures, such as aircraft and automobiles. As the demand for quieter vehicles continues to rise and the negative impacts of noise pollution on human well-being become more evident, it is crucial to develop accurate and efficient methods for predicting and controlling aerodynamic noise. Computational Aeroacoustics (CAA), which unites theoretical and computational techniques, has emerged as a powerful approach to effectively address these challenges. The success of CAA relies heavily on Computational Fluid Dynamics (CFD), a numerical simulation method for studying fluid flow and its characteristics. Given the intricate interplay between unsteady flows and solid structures, it is essential to employ reliable CFD methods that capture the underlying flow dynamics and its acoustic consequences with precision. Turbulence, a common occurrence in real-world flows, plays a vital role in sound generation by inducing fluctuations and instabilities that contribute to aerodynamic noise. Among various CFD methods, Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) and Large Eddy Simulation (LES) are widely utilized for simulating turbulent flows. However, RANS models, while computationally efficient, have limitations in accurately capturing unsteady flow phenomena critical for aeroacoustic predictions. On the other hand, LES provides a more accurate representation of unsteady flow features, but its practical application is constrained by substantial computational resource requirements. To address the limitations of RANS and LES, researchers have developed hybrid LES/RANS methods that seek to balance computational cost and accuracy by utilizing the strengths of both approaches. One prominent hybrid method is the Partially-Averaged Navier-Stokes (PANS) method, which offers a compromise between computational efficiency and the ability to capture unsteady flow phenomena. By incorporating dynamic resolution parameters and suitable turbulence models, such as the k − ϵ − ζ − f model equation, the PANS method aims to provide a more accurate representation of flow and its acoustic characteristics. This research focuses on investigating the aeroacoustic performance of the SSV-PANS method, a specific variant of the PANS method, by comparing it to a reference LES. The assessment considers both computational accuracy and costs. The research employs a hybrid approach, decomposing fluid variables into incompressible hydrodynamic and compressible perturbation equations to enable the study of aerodynamic noise. The SSV-PANS method is used to compute aeroacoustic sources from the incompressible flow field. To validate the accuracy and computational efficiency of the SSV-PANS method, extensive analyses are conducted on the flow around a circular cylinder and an Ahmed body—renowned benchmark cases in Computational Fluid Dynamics (CFD). Results obtained using the SSV-PANS method are compared against those obtained from LES as well as experimental measurements. By advancing the understanding and capabilities of CAA methods through the evaluation of the SSV-PANS method, this research contributes to the development of quieter vehicles with reduced noise emissions. Improving the accuracy and efficiency of computational methods facilitates the optimization of vehicle designs, enabling effective noise pollution mitigation and the creation of sustainable and healthier communities.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Aeroakustik ist ein Gebiet, das sich mit der Erzeugung und Ausbreitung von Schall beschäftigt, der durch die Wechselwirkung von instationären Strömungen mit festen Strukturen wie Flugzeugen und Autos entsteht. Da die Nachfrage nach leiseren Fahrzeugen weiter steigt und die negativen Auswirkungen von Lärmbelastung auf das menschliche Wohlbefinden zunehmen, ist es entscheidend, genaue und effiziente Methoden zur Vorhersage und Kontrolle von aerodynamischem Lärm zu entwickeln. Die Numerische-Aeroakustik (CAA), die theoretische und rechnerische Techniken vereint, hat sich als ein mächtiger Ansatz etabliert, um diese Herausforderungen effektiv anzugehen. Der Erfolg der CAA hängt stark von der Computational Fluid Dynamics (CFD) ab, einer numerischen Simulationstechnik zur Untersuchung von Strömungsverhalten und ihren Eigenschaften. Angesichts des komplexen Zusammenspiels von instationären Strömungen und festen Strukturen ist es wesentlich, zuverlässige CFD-Methoden einzusetzen, die die zugrunde liegende Strömungsdynamik und ihre akustischen Auswirkungen präzise erfassen. Turbulenzen, die in realen Strömungen häufig auftreten, spielen eine entscheidende Rolle bei der Schallerzeugung, indem sie Schwankungen und Instabilitäten verursachen, die zum aerodynamischen Lärm beitragen. Unter den verschiedenen CFD-Methoden werden Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) Methoden und Large Eddy Simulation (LES) weit verbreitet zur Simulation turbulenter Strömungen eingesetzt. Allerdings haben RANS-Modelle, obwohl sie rechnerisch effizient sind, Einschränkungen bei der genauen Erfassung von instationären Strömungsphänomenen, die für aeroakustische Vorhersagen entscheidend sind. Auf der anderen Seite bietet LES eine genauere Darstellung instationärer Strömungsmerkmale, jedoch ist die praktische Anwendung durch erhebliche Anforderungen an Rechenressourcen eingeschränkt. Um die Einschränkungen von RANS und LES zu adressieren, haben Forscher hybride LES/RANS-Methoden entwickelt, die versuchen, den Kompromiss zwischen Rechenkosten und Genauigkeit durch die Nutzung der Stärken beider Ansätze zu finden. Eine prominente hybride Methode ist die Partially-Averaged Navier-Stokes (PANS) Methode, die einen Kompromiss zwischen Recheneffizienz und der Fähigkeit, instationäre Strömungsphänomene zu erfassen, bietet. Durch die Verwendung dynamischer Auflösungsparameter und geeigneter Turbulenzmodelle wie der k − ϵ − ζ − f-Modellgleichungen zielt die PANS-Methode darauf ab, eine genauere Darstellung der Strömung und ihrer akustischen Eigenschaften zu liefern. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich darauf, die aeroakustische Leistung der SSV-PANSMethode, einer spezifischen Variante der PANS-Methode, zu untersuchen, indem sie sie mit einer Referenz LES vergleicht. Die Bewertung berücksichtigt sowohl die Berechnungsgenauigkeit als auch die Kosten. Die Methodik verwendet einen hybriden Ansatz, in dem die Fluidvariablen in inkompressible hydrodynamische und kompressible Störungsgleichungen aufgeteilt werden, um die Untersuchung von aerodynamischem Lärm zu ermöglichen. Die SSV-PANS-Methode wird verwendet, um aeroakustische Quellen aus dem inkompressiblen Strömungsfeld zu berechnen. Um die Genauigkeit und Recheneffizienz der SSV-PANS-Methode zu validieren, werden umfangreiche Analysen zur Strömung um einen kreisförmigen Zylinder und einen Ahmed- Körper durchgeführt - bekannte Benchmark-Fälle in der Computational Fluid Dynamics (CFD). Die mit der SSV-PANS-Methode erzielten Ergebnisse werden mit denen aus der LES sowie experimentellen Messungen verglichen. Indem das Verständnis und die Fähigkeiten von CAA-Methoden durch die Bewertung der SSV-PANS-Methode vorangetrieben werden, trägt diese Forschung zur Entwicklung leiserer Fahrzeuge mit reduzierten Lärmemissionen bei. Die Verbesserung der Genauigkeit und Effizienz von Berechnungsmethoden ermöglicht die Optimierung von Fahrzeugdesigns, um effektive Lärmbekämpfung zu ermöglichen und nachhaltige und gesündere umstände zu schaffen.

German
Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-266446
Classification DDC: 600 Technology, medicine, applied sciences > 620 Engineering and machine engineering
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Institute of Numerical Methods in Mechanical Engineering (FNB)
16 Department of Mechanical Engineering > Institute of Numerical Methods in Mechanical Engineering (FNB) > Numerics
Date Deposited: 26 Mar 2024 13:27
Last Modified: 02 Apr 2024 10:48
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/26644
PPN: 516676938
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