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Numerical Methods for the Simulation of the Acoustics of Multiphase Flows

Friedrich, Jonas (2024)
Numerical Methods for the Simulation of the Acoustics of Multiphase Flows.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00028036
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

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Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: Numerical Methods for the Simulation of the Acoustics of Multiphase Flows
Language: English
Referees: Schäfer, Prof. Dr. Michael ; Weeger, Prof. Dr. Oliver
Date: 2 September 2024
Place of Publication: Darmstadt
Collation: ix, 111 Seiten
Date of oral examination: 9 July 2024
DOI: 10.26083/tuprints-00028036
Abstract:

The noise reduction of technical systems has become one of the main challenges in the twenty-first century. In order to tackle this challenge, numerical simulations are a crucial part in the process of understanding the physical mechanisms of sound generation. Nevertheless, experiments have been traditionally used to study the complex phenomenon of sound generated by multiphase flows since there were no suitable numerical methods available. For this reason, a numerical framework for simulating acoustics produced by low Mach number multiphase flows is presented within this work. The motion of the multiphase flow is described by a single set of the Navier-Stokes equations. Various phases in the computational domain are treated as one fluid with variable material properties. The distribution of the phases is advected with the Volume of Fluid method based on a high resolution scheme methodology. To account surface tension, a singular term formulated by the Continuous Surface Tension method is added to the governing equations. For surface tension dominated flows, the accuracy of the forces around the interface is greatly dependent on the interface curvature computation. Therefore, different improvement strategies applied to curvature computation methods along with a machine learning approach are introduced and analyzed. Different orders in energy, length and time scales of the acoustics and the flow lead to a segregated handling. An acoustic/viscous splitting approach is employed for the computation of the acoustics. After the multiphase flow field is obtained, the generation and propagation of the acoustic waves is determined on the basis of the linearized Euler equations. The fluid and acoustic sets of equations are both discretized with the Finite Volume method in the in-house solver FASTEST. A one-way coupling between the two physical disciplines, justified by the difference in the characteristic scales, is accomplished by an acoustic source term derived from the unsteady flow field. By adapting the acoustic source term to the multiphase environment, the difficulties of a moving interface are overcome. The coupled validation test cases show the expected results. For the final part of this work, the developed numerical methods are applied on a three-dimensional test case. A complex and not yet fully understood example of multiphase acoustics is the sound of a water drop impacting into a water pool, as can be heard from a tripping tap. First, the necessary of a very high resolution in space and time as well as an accurate curvature model is demonstrated. Afterwards, the results of the simulations are compared to experimental data with satisfactory agreement and further insights on the sound producing physics are given.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Die Lärmminderung bei technischen Systemen ist zu einer der größten Herausforderungen des einundzwanzigsten Jahrhunderts geworden. Um diese Herausforderung zu bewältigen, sind numerische Simulationen ein entscheidender Bestandteil bei der Untersuchung von physikalischen Mechanismen der Schallerzeugung. Aufgrund des Fehlens geeigneten numerische Methoden, wurden in der Vergangenheit meistens Experimente verwendet, um das komplexe Phänomen des von Mehrphasenströmungen erzeugten Schalls zu untersuchen. Aus diesem Grund wird in dieser Arbeit eine Softwareumgebung für die Simulation der von Mehrphasenströmungen mit niedriger Machzahl erzeugten Akustik vorgestellt. Die Bewegung der mehrphasigen Strömung wird durch einen einzigen Satz der Navier-Stokes-Gleichungen beschrieben. Die verschiedenen Phasen im Berechnungsgebiet werden als ein Fluid mit variablen Materialeigenschaften behandelt. Die Verteilung der Phasen wird mit der Volume-of-Fluid-Methode auf der Grundlage hochauflösender Grenzflächenerhaltungs-Schemata berechnet. Um die Oberflächenspannung zu berücksichtigen, wird ein einzelner Term, der mit der Methode der kontinuierlichen Oberflächenspannung formuliert wird, zu den Erhaltungsgleichungen hinzugefügt. Bei Strömungen, die von Oberflächenspannung dominiert werden, hängt die Genauigkeit der Kräfte an der Grenzfläche stark von der Berechnung der Grenzflächenkrümmung ab. Daher werden verschiedene Verbesserungsstrategien für die Krümmungsberechnungsmethoden zusammen mit einem maschinellen Lernansatz eingeführt und analysiert. Unterschiedliche Größenordnungen in Energie-, Längen- und Zeitskalen zwischen der Akustik und der Strömung führen zu einer getrennten Behandlung. Für die Berechnung der Akustik wird ein akustisch-viskoser Splitting-Ansatz verwendet. Nachdem das mehrphasige Strömungsfeld berechnet wurde, wird die Erzeugung und Ausbreitung der akustischen Wellen auf Basis der linearisierten Euler-Gleichungen bestimmt. Die Strömungs- als auch die Akustikgleichungen werden mit der Finite-Volumen-Methode im institutseigenen Gleichungslöser FASTEST diskretisiert. Eine einseitige Kopplung zwischen den beiden physikalischen Disziplinen, die durch den Unterschied in den charakteristischen Skalen begründet ist, wird durch einen aus dem instationären Strömungsfeld abgeleiteten akustischen Quellterm erreicht. Durch die Anpassung des akustischen Quellterms an die mehrphasige Umgebung werden die Schwierigkeiten einer sich bewegenden Grenzfläche überwunden. Die gekoppelten Validierungstestfälle zeigen die erwarteten Ergebnisse. Im letzten Teil dieser Arbeit werden die entwickelten numerischen Methoden auf einen dreidimensionalen Testfall angewandt. Ein komplexes und noch nicht vollständig verstandenes Beispiel für die Mehrphasenakustik ist das Geräusch eines in ein Wasserbecken fallenden Wassertropfens, wie beispielweise bei einem undichten Wasserhahn. Zunächst wird die Notwendigkeit einer sehr hohen räumlichen und zeitlichen Auflösung sowie eines genauen Krümmungsmodells demonstriert. Anschließend werden die Ergebnisse der Simulationen mit experimentellen Daten verglichen. Eine zufriedenstellende Übereinstimmung wird festgestellt und weitere Einblicke in die schallerzeugende Physik gegeben.

German
Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-280364
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)
Date Deposited: 02 Sep 2024 09:16
Last Modified: 03 Sep 2024 05:50
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/28036
PPN: 521037824
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