FH D Fachhochschule Düsseldorf Fachgebiet Strömungstechnik und Akustik

FH DFachhochschule DüsseldorfFachgebiet Strömungstechnik und Akustik

Aeroakustik und Strukturschwingungen

Frank Kameier Aeroakustik, HdT Essen, 11.10.2006

Professor Dr.-Ing. Frank Kameier

• Eigenschwingungen • Campbell-Diagramm • Periodische Strömungsanregungen • Kavitäten • Beispiele: - Kármánsche Wirbelstrasse

- Kavitäten- akustische Resonanzen- rotierende Instabilitäten


Visualisierung von Strukturschwingungen

Geräuschquelle(Sinus-Generator)

-1,5

-1

-0,5

0

0,5

1

1,5

0 5 10 15 20 25

Lautsprecher

Glas

Pendel


Strömungsablösung als Quelle von Strukturschwingungen

0y

u

W

W

Ablöse-gebiet

Ablösepunkt




„Aerodynamischer“ Sinus-Generator

-1,5

-1

-0,5

0

0,5

1

1,5

0 5 10 15 20 25

Anströmung Zylinder Kármánsche Wirbelstraße


Reynoldszahl

Dc

Re

c

DfSt Strouhalzahl

dimensionslose Anströmgeschwindigkeit (sofern Geometrie und Medium nicht variiert werden)

dimensionslose Frequenz (sofern Geometrie nicht variiert wird)



Zylinderumströmung

DcRe

Quelle: R.Feynman, Lectures on Physics, 1974



Variation der Frequenz

Quelle: Stüber,B., Untersuchung aerodynamisch erzeugter Schallfelder mit Hilfe der Modellmethode, Dissertation, TU München 1968.



Tacoma-Bridge (1940) Kármánsche Wirbelstraße verursacht Strukturschwingung



Anordnung von Zylindern und Kármánschen Wirbelstraßen

Blevins: Flow-Induced Vibration, 1990



Ferrybridge (GB) Kühltürme (1965)Kármánsche Wirbelstraße verursacht Strukturschwingung

Quelle: Krause, Zum 100. Geburtstag des Luft- und Raumfahrtpioniers Theodore von Kármán, Aachen, 1981.



Behinderung der Wirbelbildung

Quelle: Blevins, Flow-Induced Vibration, 1990



Behinderung der Wirbelbildung

an der Blattspitze: Winglet gegen das Überströmen der Blattspitze.

am Turm: Spirale gegen die Bildung von Kármánschen Wirbelstrassen

Quelle: Mechanical Engineering, Vol.121, No.12, Dec 1999



Wirbelgeneratoren zur Unterdrückung tonaler Anregungenz.B. am PKW Außenspiegel

VW T5 2005 BMW versch. Modelle seit ca. 1995



Seiferth-Flügel an einer Windkanaldüse



Turbulatoren zur Erzeugung von Breitbandfluktuationen



Region of Discrete Vortices

Vortex Breakdown High Energy Broadband Pressure Fluctuations


Eigenschwingungsformen mechanischer Strukturen

Quelle: Cumpsty, Compressor Aerodynamics, 1989



Eigenschwingungsformen mechanischer Strukturen


Biege-Mode Torsions-Mode


Campbell-Diagramm

f[Hz]

p[Pa]

n[U/min]

1. Biege-Mode

1. Torsions-Mode

2.

Drehzahlordnungen

n[U/min]

f[Hz]

1.

3.

4.



Schwingungen der Schaufeln eines Flugtriebwerkverdichters

vgl. Clarke, Ziegenhagen, Kameier, EuroNoise 1998



Schwingungen einer ebenen Platte im Nachlauf eines Zylinders

aus: Sophia Schönwald, Untersuchung strömungsinduzierter Schwingungen, Bachelor-Thesis, FH Düsseldorf 2006




0 5 1 0 1 5 2 0

.

0

1 0 0

2 0 0

3 0 0

4 0 0

H z

5 0

6 0

7 0

8 0

9 0

1 0 0

1 1 0

d B

0 5 1 0 1 5 2 0

.

0

1 0 0

2 0 0

3 0 0

4 0 0

H z

1 0 0 µ

1 m

1 0 m

m / s

A q u i s i t i o n : 1 5 : 0 6 h 2 4 . 1 1 . 2 0 0 5 R e s o l u t i o n : 2 [ H z ] C a l . : 0 . 0 3 2 8 7 2 3 [ V / d B ] A V G : - 1 8 0 7

F e n s t e r u n g : H a n n i n g

F o r m a t : 2 _ 3 D _ w i n d k a n a l / 2 x 3 D

s c h o e n w a l d / M e s s u n g e n _ 2 4 1 1 0 5 / Z y l i n d e r _ 0 . 0 2 _ H o c h f a h r t _ W i n d k a n a l _ a b a t a s t u n g _ m i t t e _ M i k r o _ P o s _ 3 _ n a 1

U n i v e r s i t y o f A p p l i e d S c i e n c e s D u e s s e l d o r f 2 0 0 5 / S c h o e n w a l d 1 6 : 1 8 h 2 4 . 1 1 . 2 0 0 5 / P A K ( 5 . 2 )

M i k r o f o n L a s e r v i b r o m e t e r

W i n d k a n a l S h a k e r

aus: Sophia Schönwald, Untersuchung strömungsinduzierter Schwingungen, Bachelor-Thesis, FH Düsseldorf 2006

Strömungsgeschwindigkeit in m/s Strömungsgeschwindigkeit in m/s

Geräusch Schwingung

Schwingungsanregung jenseits der Eigenfrequenzen

Helmholtz-Resonator

Lips, Strömungsakustik(1997)

2/rlV

r

2

af

2

cAnström.

cAnström.

hohe Frequenz

tiefe Frequenz




Herleitung der Eigenfrequenz eines Helmholtz-Resonators

v

dv

p

dpIsentropengleichung Schallgeschwindigkeit vpa

V

Vap~ 2

D

D0

- Gleichgewicht

L

4

DS

2

4

DS

20

0 LS

S

V

V 0

mit als Auslenkung der "Masse"

pSF 0 Federkraft

002 S

LS

Sap

FLS

SapS

202

0

V

Aa

LS

SaFc

20

220

2

F

Federkonstante



Herleitung der Eigenfrequenz eines Helmholtz-Resonators

schwingende Luftmasse eff0LSm

effL Im Resonatorhals schwingt eine größere Luftmasse als nur die im Hals befindliche!

m

cF odereff0

20

2

Helm LSV

Sa

eff

20

2

LV

Sa

0eff r2

Lr8,02LL

0

20

0

0Helm

r2

LV

r

2

c

r2

LV

S

2

af

Quelle: Lucas et al., Turbomachinery Cavities, 1997


Wirbelbildung in Scherströmungen

Quelle: M.Schober, http://obiwan.pi.tu-berlin.de/M.Schober/wjallcases/acoustic.mpeghttp://elecpress.monash.edu.au/ijfd/1999_vol3/paper1/a_visualisation_study.html

(mit akustischer Anregung)



Erzeugung von Hohlraumresonanzen

Laufzeit (ganze Wellenlänge)

Laufzeit (halbe Wellenlänge)2

Resonanz

Anti-Resonanz

4

2



Stehende Welle im RohrRohrabschluss = starre Wand

)gWandhaftun(

0c

Resonanz

-0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

maxpp

...,2,1,0n)1n2(4

L



Herleitung der Resonanzbedingung für eine stehende Welle im Rohr


Impulserhaltung(Eulersche Bewegungsgleichung) x

p1

t

ux

bei harmonischem Ansatz x

piu

harter Wandabschluss

0x

p0)Lx(u

Lx

ikxR

ikxi ePeP)x(p a

k

RikL2

i PeP

Das Fluid in der Kavität wirkt wie eine mechanische Feder.

)xL(kcoseP2eeP)x(p ikLi

kL2ikx(ikxi

L4

a1n2f1n2

4L res



Überströmung von Kavitäten - Helmholtzresonator




Überströmung von Kavitäten - Helmholtzresonator

Lucas et al., Turbomachinery Cavities, 1997



Akustische Resonanzen

f [Hz]

t [s]

p [kPa]

Druckaufnehmer am Bypass des Fans eines Flugtriebwerks



Schnitt zu einer bestimmten Zeit



Berechnung der Rohrlänge aus dem Abstand zweier benachbarter Resonanzfrequenzen

01 fL

a

4

1f 02 f

L

a

4

3f

f

a

2

1L

L

a

2

1fff 12

mit der Schallgeschwindigkeit a



Spektrum einer Orgelpfeife

Quelle: Fletcher, N.H., Rossing, T.D.: The Physics of Musical Instruments,1991.



Resonanz im Nachlauf einer ebenen Platte

Quelle: Parker, Aeroacoustics, International Journal of Fluid Dynamics, 1997http://elecpress.monash.edu.au/ijfd/1997_vol1/paper1/Parker.Flow.html



Frank Kameier Wolfsburg 09.10.2006

Tank test

FH DUniversity of Applied Sciences DüsseldorfFluid Mechanics and Acoustics

outside ambient p-

inside ambient p+

Flow rate control with screens

Shear Flow

Frank Kameier Wolfsburg 09.10.2006

Wall Pressure Fluctuations in the Source Region

FH DUniversity of Applied Sciences DüsseldorfFluid Mechanics and Acoustics

0 20 40 60 80 100 120 140s

0

5000

10000

15000

20000H z

40

50

60

70

80

90

100d B

0 5000 10000 15000 20000

H z4050607080

90100110120130

d B

toulouse / Valve_P osition_40°_config_3_air_stream_off / 5_8_2_ dp_0_50 0_ta ped_overall_s aw_tooth

A P S M ax im um

p-Am pien t: 100 0-516 hPa O F V-Po s.: 40 °O utside A ir S tream : o ffD iff.P ressure: 0-500 hPa Tank: open

N ORD -MICRO PR OPR IETARY

1

3

2

1

4

5

1 – Parker resonance

2 - gate sealing (hole and spring)

3 - open cavity

4 - shear layer activity

Strukturschwingungen am Beispiel von Musikinstrumenten

Quelle: Macaulay, Ardley: Macaulay´s Mammut Buch der Technik, Nürnberg 1989.

Blockflöte

Klarinette

Oboe



Stehende Wellen in Musikinstrumenten

Quelle: Macaulay, Ardley: Macaulay´s Mammut Buch der Technik, Nürnberg 1989.



Periodische Strömung in einer Flöte

Quelle: Science Times, 12/98



Beobachtung von Wanddruckschwankungen in einem Hochdruckverdichter

4 mm



Rotierende Instabilitäten und Strukturschwingungen

Wanddruckschwankung- raumfest -

Schaufelschwingung- rotierend -

BAUMGARTNER, KAMEIER, HOURMOUZIADIS, ISABE Conference, Melbourne, 1995

gefährdeter Drehzahlbereich



Rotierende Instabilitäten und Strukturschwingungen

Wanddruckschwankung- raumfest -

Schaufelschwingung- rotierend -



P u m p en

R otie ren d eA b lö s u n g

RotierendeInstabilitäten

(in Ström ungsm aschinen)

Kárm án sch eW irb elab lösu n g en

m itF eed b ack-Loop

O rg e lp fe ifen -R eson an zen

AkustischeResonanzen

R otie ren d esP o ten tia lfe ld

(S c h au fe lk rä fteb e i S trö m u n g sm asch in en )

Frem derregteSchw ingungen(äußere Kräfte)

Fluttern(S tru k tu r b ew eg t s ich !)

Buffeting(S tru k tu r b ew eg t s ich n ich t!)

SelbsterregteSchw ingungen

(eigene Bew egung)

Ström ungserregte Schw ingungen



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