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Hybrid Noise Simulation for Enclosed Configurations

Lackhove, Kilian :
Hybrid Noise Simulation for Enclosed Configurations.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2018)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Hybrid Noise Simulation for Enclosed Configurations
Language: English
Abstract:

Future air traffic regulations are going to further limit the noise and pollutant emissions of aero engines in a way that can only be met by the comprehensive migration towards lean premixed combustion based aero engine designs. Compared to conventional rich-quench-lean setups, these next generation combustion systems are more prone to thermoacoustic instabilities caused by combustion noise. For this reason, improved methods for the prediction and investigation of combustion noise and thermoacoustic instabilities are required. Consequently, a hybrid Computational Aeroacoustics (CAA) method is devised, implemented and applied to two enclosed, reactive configurations in this work. The method comprises a low Mach number flow solver, a dedicated acoustics tool and a coupling layer, which bridges the different numerical schemes and physical phenomena. In addition to traditional aeroacoustic problems, the method is applicable to enclosed configurations with complex geometries, while maintaining the favorable computational efficiency of common hybrid methods. Its key components are the newly developed acoustics solver and the corresponding coupling layer. For the description of the reacting flow field, an established, finite volume based flow solver is equipped with the coupling interface. By employing the high order spectral/hp element method in a discontinuous Galerkin formulation, the CAA solver efficiently accounts for acoustic wave propagation in complex, three-dimensional geometries. Its implementation is focused on stability and flexibility to allow for an easy adaption to industrial applications, such as combustion noise. This is achieved by solving the unconditionally stable Acoustic Perturbation Equations (APE) and using a set of Riemann solvers that can operate on variable density base flows. The developed coupling layer enables bi-directional communication of both solvers at run-time, without limiting their spatial and temporal resolutions, even when applied to coinciding domains. Their different length scales and discretization methods are overcome by a linear interpolation in time and a spatial, implicit low pass filter, that operates on an intermediate representation of the flow fields. The applicability of the hybrid CAA method is investigated by means of two laboratory scale combustors of increasing complexity. The first setup features a half-dump combustor, that facilitates a basic validation of the CAA solver and the coupling. It is shown that the short length scale base flow fields are sufficiently represented in terms of the CAA expansion by the coupling layer. In the obtained acoustic fields, the behavior of the system's first eigenmode is well reproduced. The instigation of a second eigenmode was not observed in the experimental noise spectrum but is in agreement with a similar hybrid CAA simulation. The second configuration is a pressurized burner, operated by a swirl stabilized, premixed flame. It is already beyond the capabilities of most available CAA tools and features most phenomena present in industry scale combustion systems. In the considered frequency range, the prevalent eigenmode is very well predicted. Independent of the acoustic governing equations, the developed method is estimated to require less than a fifth of the computational effort of a direct noise simulation for the considered configuration.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Geplante Regulierungen in der Luftfahrt werden die Lärm- und Schadstoffemissionen von Flugzeugen soweit einschränken, dass diese Vorgaben nur noch mit Hilfe von modernen, auf mager vorgemischter Verbrennung basierenden Triebwerken umsetzbar sind. Verglichen mit konventionellen, auf Fett-Mager-Stufung basierten Triebwerken sind diese jedoch anfällig für durch Verbrennungslärm verursachte, thermoakustische Instabilitäten. Diese Phänomene können bisher nur unzureichend beschrieben werden. Zur genaueren Vorhersage und Erforschung werden daher verbesserte Verfahren benötigt. Zu diesem Zweck wird in der vorliegenden Arbeit ein hybrides Computational Aeroacoustics (CAA) Verfahren entwickelt, implementiert und auf zwei eingeschlossene, reagierende Konfigurationen angewendet. Das Verfahren umfasst einen Strömungslöser für niedrige Machzahlen, einen Akustiklöser und eine Kopplungsschicht, die zwischen den verschiedenen numerischen Verfahren und physikalischen Skalen vermittelt. Neben traditionellen Problemen der Aeroakustik ermöglicht es erstmals auch die Simulation von eingeschlossenen Konfigurationen mit komplexen Geometrien, ohne die hohe numerische Effizienz hybrider CAA-Verfahren einzubüßen. Seine Schlüsselkomponenten sind der neu entwickelte Akustiklöser und die zugehörige Kopplungsschicht. Zur Beschreibung des reagierenden Strömungsfeldes wurde ein bewährter, auf der Finite-Volumen-Methode basierender Strömungslöser um eine entsprechende Kopplungsschnittstelle erweitert. Eine effiziente Beschreibung der akustischen Wellenausbreitung in komplexen, dreidimensionalen Geometrien wird seitens des Akustiklösers durch die Verwendung der Spektralen/hp-Elemente-Methode in einer diskontinuierlichen Galerkin-Formulierung erreicht. Bei der Implementierung standen Stabilität und Flexibilität im Vordergrund, um eine einfache Anwendung auf industrielle Anwendungen, wie z.B. Verbrennungslärm in Flugzeugtriebwerken, zu ermöglichen. Dies wurde unter anderem durch die Verwendung der uneingeschränkt stabilen Acoustic Perturbation Equations (APE) sowie zweier für Grundströmungen mit veränderlicher Dichte geeigneter Riemann-Löser erreicht. Die entwickelte Kopplungsschicht ermöglicht die bi-direktionale Kommunikation beider Löser zur Laufzeit, ohne selbst bei übereinstimmenden Rechengebieten die zeitlichen oder räumlichen Auflösung zu beschränken. Ihre verschiedenen Längenskalen und Diskretisierungsverfahren werden mit Hilfe einer linearen Zeitinterpolation und der räumlichen Tiefpassfilterung einer Zwischenrepräsentation der Strömungsfelder überwunden. Die Eignung des hybriden Verfahrens wird anhand zweier Laborbrenner von verschiedener Komplexität untersucht. Der erste Aufbau beinhaltet einen einfachen Stufenbrenner, der zur grundlegende Validierung des Akustiklösers und der Kopplungsschicht dient. Dabei wird gezeigt, dass sich die kurzskaligen Strömungsfelder dank der Kopplungsschicht mit ausreichender Genauigkeit in der CAA-Diskretisierung darstellen lassen. Das Verhalten der ersten Eigenmode wird mit dem entwickelten Verfahren gut wiedergegeben. Obwohl im Experiment nur minimal zu beobachten, stimmt die Anfachung einer zweiten Eigenmode mit einer vergleichbaren, hybriden CAA-Simulation überein. Die zweite Konfiguration ist eine Druckbrennkammer mit einer drallstabilisierten, vorgemischten Flamme, in der viele der in industriellen Verbrennungssystemen relevanten Phänomene auftreten. Aufgrund ihrer komplexen Geometrie lässt sich diese Konfiguration mit den meisten verfügbaren Akustiklösern nicht simulieren. Mit dem entwickelten Verfahren wird die im untersuchten Frequenzbereich vorherrschende Eigenmode mit sehr guter Genauigkeit vorhergesagt. Für diese Konfiguration ergibt eine auf den Freiheitsgraden basierende Abschätzung, dass das vorgestellte Verfahren weniger als ein Fünftel des Rechenaufwandes einer direkten Lärmsimulation benötigt.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering
16 Department of Mechanical Engineering > Institute for Energy and Power Plant Technology (EKT)
Date Deposited: 30 Jul 2018 11:34
Last Modified: 30 Jul 2018 11:34
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-76117
Referees: Janicka, Prof. Dr. Johannes and Schäfer, Prof. Dr. Michael
Refereed: 19 June 2018
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/7611
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