Schallentstehung durch turbulente Zuströmung an aerodynamischen Profilen

Die Interaktion einer turbulenten Zustromung mit der Vorderkante eines aerodynamischen Profils ist ein dominierender Schallentstehungsmechanismus, der beispielsweise an Ventilatoren in Klimaanlagen, Windkraftradern und Rotor-Stator-Konfigurationen in Turbomaschinen auftritt. In der vorliegenden Arbeit wird die breitbandige Schallentstehung infolge dieses Mechanismus experimentell untersucht. Der Versuchsaufbau im aeroakustischen Windkanal besteht aus einem Profil und einem Zylinder mit kreisrundem Querschnitt, der zur Generierung der turbulenten Profilzustromung stromauf des Profils installiert ist (Zylinder-Profil-Konfiguration). Die Profilzustromung wird nacheinander durch Nutzung von funf Zylindern unterschiedlicher Durchmesser und durch das Einstellen funf verschiedener Abstande zwischen Zylinder und Profilvorderkante variiert. Insgesamt wird die aeroakustische Schallentstehung an der Profilvorderkante fur 50 Zylinder-Profil-Konfigurationen untersucht, wobei die Zylinder-Zustromgeschwindigkeit fur jede Konfiguration zusatzlich in 26 Schritten zwischen 26 m/s und 72 m/s vorgegeben wird. Der von den Experimenten abgedeckte Machzahlbereich liegt zwischen 0,075 und 0,21 und der Bereich der mit dem Zylinderdurchmesser gebildeten Reynoldszahl liegt zwischen 8,3·10³ und 7,3·10⁴. Der generierte Schall wurde mit einem Mikrofonarray aufgezeichnet. Der infolge der turbulenten Zustromung an der Profilvorderkante generierte Schall wird wahrend der Analyse der Mikrofonarraymessdaten mit erweiterten Beamforming-Algorithmen (Entfaltungsverfahren) von den anderen Schallquellen getrennt. Somit ist sichergestellt, dass ausschlieslich die Schallentstehung an der Vorderkante des Profils und hiermit die Schallentstehung durch turbulente Zustromung untersucht wird. Insgesamt wurden uber 2000 einzelne akustische Messungen durchgefuhrt, die zusammengenommen ein Datenvolumen von ca. 1,7 TByte aufweisen. Neben den akustischen Messungen wurden fur ausgewahlte Zylinder-Profil-Konfigurationen Hitzdrahtmessungen durchgefuhrt, um die Profilzustromung im Bereich der Profilvorderkante zu charakterisieren. Auf Basis der Analyse der umfangreichen Messdaten wird mit Hilfe einer Dimensionsanalyse ein empirisches Modell zur Abschatzung der Schallentstehung bei inhomogener turbulenter Zustromung entwickelt. Zudem werden einige fur homogene Zustromung vorhandene Modelle fur inhomogene Zustrombedingungen adaptiert. Die Eignung der getesteten Modelle wird anhand des Vergleichs von Modell- und Messergebnissen diskutiert.