Laser optical measurements of the acoustic particle velocity at bias flow liners with grazing flow
Acoustics
Measurement Systems
Final Report Abstract
In dieser Arbeit wurde der FM-DGV Sensor zur bildhaften Vermessung der Geschwindigkeitsfelder an durch- und überströmten Schlitz-Wänden mit schallabsorbierender Wirkung eingesetzt. Die Ortsauflösung des Systems beträgt 0,66 mm, weshalb der durch Reflexe bedingte minimale Abstand der Messposition zur Wand auf 0,8 mm reduziert werden konnte. Durch die Verbesserung der Signalauswertung sowie der rechnerbasierten Datenakquise auf einem 64bit-System gelang eine signifikante Reduktion der Messdauer auf ein Drittel der bisherigen Zeit. Somit erlaubt das erweiterte System die Erfassung von deutlich mehr Messpunkten und somit auch eine Steigerung der Genauigkeit der Zerlegung des Geschwindigkeitsfeldes. Weiterhin wurde durch die Nutzung einer Hochgeschwindigkeitskamera die simultan bildgebende Messung der Geschwindigkeit und damit eine weitere signifikante Steigerung der Datenrate erreicht. Die hohe Zeitauflösung und die Messung in drei Raum-Komponenten ermöglichte neben der Auswertung der Gleichanteile sowie der kohärenten und turbulenten Anteile der Geschwindigkeit auch die Auswertung des vollständigen Reynold’schen Spannungstensors, insbesondere seines schallkohärenten Anteils. Die kohärenten turbulenten Schubspannungen können zusammen mit den Gradienten der kohärenten Geschwindigkeit einen Energieaustausch zwischen der Turbulenz der sich an den Lochkanten bildenden Scherschichten und dem Schallfeld bewirken. Im günstigsten Fall wird dadurch weiter Schallenergie ins hydrodynamische Feld eingebracht, im ungünstigsten Fall wird Energie (welche primär aus der Gleichströmung stammt) ans Schallfeld zurückgegeben. Das Ausmaß dieses Energieaustausches ist völlig unklar und bisher nicht erforscht. Die komplizierte Wechselwirkung zwischen der Scherschicht-Turbulenz und dem Schallfeld wurde in dieser Arbeit experimentell untersucht und ausgewertet. Dabei wurden die Geschwindigkeiten, charakteristische statistische Strömungskorrelationen und die turbulenten Spannungen erstmals ortsaufgelöst über der BFL-Öffnung vermessen. Die Messungen wurden an drei verschiedenen Bias-Flow-Linern mit runden und schlitzförmigen Öffnungen für verschiedene Konfigurationen der Über- und Durchströmung und variierende Schallfrequenzen vorgenommen. Es wurde festgestellt, dass sich der Energieübertrag zwischen dem kohärenten Feld und der Turbulenz erwartungsgemäß in den Scherschichten der Strömungsablösung an der Öffnungs-Hinterkante konzentriert; er ist überwiegend positiv und stellt damit vermutlich einen Beitrag zur Schallabsorption dar. Es konnte allerdings kein direkter Zusammenhang zwischen dem Energietransfer und der totalen Schalldissipation gefunden werden. Lokal vereinzelt wurde auch ein negativer Energietransfer und damit vermutlich Schallproduktion beobachtet, insbesondere bei der Wechselwirkung mehrerer Öffnungen. Es wurde außerdem demonstriert, dass sich das Messsystem auch in einer volumetrischen Anwendung zur Untersuchung dreidimensionaler Strömungsstrukturen eignet. Mithilfe der 3D-Daten war es möglich für einen Arbeitspunkt eine Helmholtz-Hodge-Zerlegung durchzuführen, wobei das Strömungsfeld in quell- und wirbelfreie Anteile zerlegt werden konnte. Die Erkenntnisse der Projektarbeiten ermöglichen die Weiterentwicklung physikalischer Modelle auf deren Grundlage effizientere Liner entwickelt werden können. Hierzu sind jedoch die neu entstandenen Schlüsselfragen zum Beispiel bzgl. der detektierten lokalen Schallproduktion mittels zusätzlicher Messungen zu klären. Zu diesem Zweck ist die Erfassung der lokalen Schallimpedanz von entscheidender Bedeutung, da diese Größe zur Beschreibung der akustischen Dämpfungsprozesse dient. Aussichtsreiche Ergebnisse erster Vorexperimente zeigten dabei erstmals lokale Oszillationen des Schalldrucks und diesen als Grundlage für einen Neuantrag zur Fortführung der Arbeiten in einem neuen Förderprojekt.
Publications
- “Spectral Analysis of Velocity Fluctuations in the Vicinity of a Bias Flow Liner with respect to the Damping Efficiency”, Acta Acustica united with Acustica 101(1):24-36, 2015
A. Schulz, D. Haufe, J. Czarske, A. Fischer, F. Bake, L. Enghardt
(See online at https://doi.org/10.3813/AAA.918801) - “Aeroacoustic analysis using natural Helmholtz-Hodge decomposition”, 24. Fachtagung „Experimentelle Strömungsmechanik" der Deutschen Gesellschaft für Laser- Anemometrie (GALA e.V.), S. 2.1–2.7, Cottbus, 6.–8.09.2016
D. Haufe, J. Gürtler, A. Schulz, F. Bake, L. Enghardt, A. Fischer, J. Czarske
(See online at https://doi.org/10.5194/jsss-7-113-2018) - “High-speed camera based high-speed measurement system for aeroacoustic investigations”, Journal of Sensors and Sensor Systems 5: 2016
J. Gürtler, D. Haufe, A. Schulz, F. Bake, L. Enghardt, J. Czarske, A. Fischer
(See online at https://dx.doi.org/10.5194/jsss-5-125-2016) - “Investigation of sound-flow interaction at a bias flow liner using 3D/3C velocity measurements and Helmholtz-Hodge decomposition”, 18th International Symposium on Applications of Laser Techniques to Fluid Mechanics, SESSION 2.3: Aeroacoustics, Proceedings, paper 2.2.3 (8 pages), July 4th – 7th, 2016, Lisbon, Portugal
J. Gürtler, D. Haufe, A. Schulz, F. Bake, L. Enghardt, A. Fischer, J. Czarske
