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Entwicklung einer CFD-Softwareumgebung für die Modellierung und Simulation numerischer Strömungsakustik auf Hoch- und Höchstleistungsrechnern

Schmalz, Jan LSF

Die Belastung des Menschen durch Lärm nimmt stetig zu und hat sich in letzter Zeit zu einem massiven gesundheitsbelastenden und volkswirtschaftlichen Problem entwickelt. Technisch verursachte Geräusche, allen voran der Straßen-, Schienen-, und Flugverkehrslärm haben einen sehr großen Anteil an der täglichen Lärmbelastung. Gesetzesinitiativen, aber auch die wachsenden Ansprüche hinsichtlich einer leiseren Umwelt machen die akustischen Eigen-schaften eines technischen Produktes zu einem marktentscheidenden qualitativen Merkmal. In der Produktentwicklung erfährt die Akustik somit immer mehr eine wachsende Priorisierung. Durch messtechnische und experimentelle Ansätze können jedoch die akustischen Eigen-schaften eines technischen Produktes erst in sehr späten Entwicklungsphasen ermittelt und verbessert werden. Numerische Ansätze dagegen ermöglichen bereits in der frühen, virtuellen Entwicklungsphase Aussagen über die spätere Funktionalität und technologische Eigenschaf-ten zu treffen. Turbulenzbedingte Strömungsereignisse sind häufig die Ursache primärer Schallentwicklung. Eine intensive Betrachtung der aeroakustischen, aber auch der aerodynamischen Eigenschaf-ten eines technischen Produktes ist daher ausschlaggebend für das Erreichen der Qualitäts-ansprüche. Dies erfordert jedoch eine intensive Erforschung entsprechender Grundlagen und Methoden im experimentellen und numerischen Bereich. Numerische strömungsmechanische und -akustische Applikationen im wissenschaftlichen und ingenieurstechnischen Bereich sind komplexer physikalischer Natur und bedürfen einer meist sehr aufwendigen und ressourcen-intensiven Betrachtungsweise. Die in dieser Arbeit verwendete Open Source Bibliothek OpenFOAM für numerische strö-mungsmechanische Simulationen besitzt die Fähigkeit komplexe strömungsmechanische Problemstellungen parallelisiert in High Performance Computing (HPC)-Umgebungen zu lö-sen. Durch die in dieser Arbeit erfolgten Implementierung akustischer Analogien nach Lighthill und Curle wird OpenFOAM um die numerische Berechnung von turbulenzbedingtem Schall erweitert. Auf Basis dieser akustischen Analogien werden die turbulenzbedingten akus-tischen Quellen der Strömung berechnet. Davon ausgehend wird die Ausbreitung der akusti-schen Störgrößen im akustischen Nahfeld auf ein und demselben strömungsmechanischen Netz berechnet und visualisiert. Die neuentwickelten Applikationslöser acousticFoam und acousticRhoFoam basieren auf den transienten Applikationslösern pisoFoam für inkom-pressible und rhoPimpleFoam für kompressible Strömungssimulationen. Die erarbeiteten und vorgestellten Ansätze werden hinsichtlich ihrer Funktionalität und physi-kalischen Korrektheit mit Hilfe von allgemein bekannten aeroakustischen Benchmark-Testfäl-len validiert und verifiziert. Anschließend werden an einem realitätsnahen ingenieurstechni-schen Anwendungsfall die Eigenschaften der entwickelten Methode aufgezeigt und erörtert. Diese numerischen Ergebnisse werden auch durch experimentelle Ergebnisse aus durchge-führten Messungen des Strömungsgeräusches der Applikation abschließend verglichen und diskutiert.

The human exposure to noise continues to grow and has recently developed into a massive problem adversely affecting health and economics. Man-made noise, especially road, rail and air traffic noise, make up a very large portion of the daily noise exposure. Legislative initiatives, as well as the growing demands regarding a quieter environment make the acoustic properties of a technical product into a market-critical qualitative characteristic. In product development, the acoustics are becoming a growing priority. The acoustic properties of a technological prod-uct, however can be determined and improved only at very late stages of development by measurements and experimental approaches. Numerical approaches, on the other hand, allow prediction about the future functionality and technological properties early in the virtual devel-opment phase. Turbulence induced flow events are often sources of primary sound emission. An intensive analysis of the aeroacoustic, but also aerodynamic properties of a technical product is there-fore critical for the achievement of quality standards. However, this requires intensive explora-tion of appropriate principles and methods in experimental and numerical range. Computa-tional fluid mechanics and computational aeroacoustic applications in scientific and engineer-ing fields are of complex physical nature and usually require a very complex and resource-intensive approach. The Open Source library framework OpenFOAM used in this work for computational fluid dynamic simulations has the ability to solve complex fluid dynamic problems in parallelized High Performance Computing (HPC) environments. By implementing the acoustic analogies of Lighthill and Curle OpenFOAM is extended to compute turbulence induced noise. Based on the computed values of the acoustic sources the propagation of the acoustic disturb-ances in the acoustic near field might be computed and visualized on one computation mesh only. The novel developed application solvers acousticFoam and acousticRhoFoam are based on the transient application solver pisoFoam for incompressible and rhoPimpleFoam for compressible fluid flow simulations. The approaches here developed and presented are validated and verified in terms of their functionality and physical correctness with the help of well-known aeroacoustic benchmark test cases. The properties of the developed method are then shown and discussed within a realistic engineering application. These numerical results are also finally compared with experimental results from measurements made of the flow noise of this application.

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Schmalz, Jan: Entwicklung einer CFD-Softwareumgebung für die Modellierung und Simulation numerischer Strömungsakustik auf Hoch- und Höchstleistungsrechnern. 2016.

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