Možnosti modelování akustických jevů

Josef Dobeš

Doctoral thesis

The Possibilities of Modelling Acoustic Phenomena

Abstract:

Disertační práce je zaměřena na identifikaci akustických jevů generovaných obtékáním tělesa vzduchem a vytvoření metodiky pro použití experimentálních a matematických metod. V úvodu práce je uvedena teorie k šíření akustických jevů a jejich vnímání lidským uchem. V další části je popsána teorie k modelování aerodynamického pole, které slouží jako vstupní data pro výpočet akustické části úlohy. K modelování akustického pole jsou použity akustické analogie. V experimentální části úlohy jsou realizována měření pro aerodynamické a akustické pole na aerodynamickém tunelu. Měření aerodynamického pole je provedeno pomocí sond žárového anemometru, měření akustického pole pomocí mikrofonu s kónickým kuželem. V závěru této části disertační práce je uveden rozbor a stanovení nejistot experimentálních měření. Numerické modelování aeroakustické úlohy spočívá ve vytvoření matematického modelu v programu Ansys Fluent užitím Ffowcs-Williamsovy a Hawkingsovy akustické analogie (FW-H), který je v současné době standardem pro modelování takových komplexních úloh. Navíc byla vytvořena metodika pro modelování tohoto problému ve volně šiřitelném programu OpenFOAM 3.0.x užitím Curleho akustické analogie. Jako základní úloha pro komplexní řešení aeroakustické úlohy je vybrána úloha obtékání válce. Vybraná úloha je řešena jako dvourozměrná (2D) a třírozměrná (3D) úloha. Jako doplňková úloha je v příloze vypracována metodika řešení 3D úlohy obtékání koule. Na závěr této kapitoly je uvedeno porovnání numerických výsledků s experimentálně získanými daty a porovnání mezi matematickými modely v různých výpočetních programech. V poslední části disertační práce jsou zhodnoceny možnosti optimalizace obtékané součásti za účelem snížení hlučnosti. Na závěr je uvedeno celkové shrnutí práce, posouzení dosažených výsledků, také jsou zmíněny možnosti průmyslové využitelnosti dosažených výsledků a určitá doporučení pro další rozvoj řešení této problematiky v oblasti numerického modelování a experimentálních měření.

Abstract:

The dissertation thesis is focused on the identification of the aeroacoustic phenomena generated by the flow around the body by air and creating the methodology for using experimental and mathematical methods. In the introduction of thesis, the theory of acoustic phenomena and their perception by the human ear are presented. In the next section, the theory of the modelling of the aerodynamic field, which serves as input data for the acoustic part of the task, is described. For the acoustic field modelling acoustic analogies are used. In the experimental part of the task the measurements for aerodynamic and acoustic field on the wind tunnel are realized. The aerodynamic field measurement is performed by the hot-wire anemometer probe. The acoustic field measurement in the experimental mechanism is done by the microphone with conical cone. In conclusion of this part of the thesis an analysis and assessment of uncertainties of experimental measurements are executed. The numerical modelling of the aeroacoustic task consists in the creation of the mathematical model in Ansys Fluent using by Ffowcs-Williams and Hawkings acoustic analogy (FW-H) which is currently the standard for the modelling of such a complex task. In addition, the methodology for modelling the problem in freely distributed software OpenFOAM 3.0.x using Curle acoustic analogy was created. As the basic task for the complex solution of the aeroacoustic task the flow around the cylinder is selected. The selected task is solved as a two dimensional (2D) and three-dimensional (3D) task. As a complementary task in the appendix, the methodology of solution 3D task flow around the sphere is elaborated. At the conclusion of this chapter the comparison of the numerical results with experimentally obtained data and comparison between computational programs are performed. In the last section of the dissertation thesis the brief summary of the optimization options is performed for the flow around obstacle in order to decrease the noise. At the end of this thesis, the summary of the thesis, the evaluation of the achieved results, the possibilities of industrial applicability of the results and some recommendations for further solution development in the numerical modelling and experimental measurement fields are listed.

Keywords

aeroakustická úloha, obtékání válce, OpenFOAM, Ansys Fluent, Curleho analogie, Ffowcs-Williamsova a Hawkingsova analogie, žárová anemometrie, mikrofon, vibrace

Keywords

aeroacoustic task, flow around the cylinder, OpenFOAM, Ansys Fluent, Curle analogy, Ffowcs-Williams & Hawkings analogy, hot-wire anemometer, microphone, vibration

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 13. 4. 2017

Thesis defence

• Date of defence: 12. 9. 2017
• Supervisor: Milada Kozubková
• Reader: Sylva Drábková, Václav Uruba, Tomáš Brestovič

VŠB - Technical University of Ostrava

Fakulta strojní

Doctoral programme / field:
Strojní inženýrství / Aplikovaná mechanika