Die Hauptziele bei der Entwicklung von KFZ-Heizsystemen sind geringer Bauraum, geringe elektrische Leistungsaufnahme des Gerätes (für das Luftgebläse) und eine geringe Schadstoffemission (NOx , CO, URC). Um diese Ziele zu erreichen, wird bei der Entwicklung zunehmend Computational Fluid Dynamics (CFD) eingesetzt. Es wäre wünschenswert, auch die Lärmemission im Voraus berechnen zu können. Das ist das Ziel dieser Arbeit. Bisherige Ansätze gehen hier analog den Methoden zur Berechnung von strömungsinduziertem Lärm vor. Dieses Forschungsgebiet, das als Computational Aero Acoustics (CAA) bezeichnet wird, ist im Gegensatz zur Berechnung von Verbrennungslärm (Computational Combustion Acoustics, CCA) etabliert und seine Methoden gehören zum Standard in der industriellen Anwendung. Die CAA basiert auf der Lighthill-Gleichung oder einer Weiterentwicklung davon. Neben den Quelltermen für den strömungsinduzierten Lärm enthält die Lighthill Gleichung auch Terme, die die Lärmentwicklung durch thermische Effekte beschreiben (thermoakustischer Quellterm). Somit ist eine Berechnung des Verbrennungslärms durch direktes Lösen der Lighthill-Gleichung möglich. Da zur Bestimmung des Quellterms allerdings instationäre CFD-Simulationen mit Verbrennung mittels LES oder sogar DNS notwendig sind, ist dieser Weg sehr aufwendig. Hinzu kommt, dass der gewonnene Quellterm sowohl orts-, als auch zeitabhäingig ist. Dadurch ist eine aufwendige Kopplung zwischen der LES-Rechnung zur Bestimmung des Quellterms und der eigentlichen Schallausbreitungsrechnung notwendig. Der hierzu notwendige Rechen- und Zeitaufwand ist extrem groß und nicht für einen Einsatz in der industriellen Entwicklung geeignet. Standard hier ist die stationäre oder Ensemble-gemittelte Berechnung von Verbrennungssystemen mittels RANS-Simulation. Der in dieser Arbeit vorgestellte Ansatz ist von hybrider Natur und besteht aus einer Berechnung der reagierenden Strömung zum einen und der Berechnung der Schallausbreitung zum anderen. Wesentlicher Unterschied zu den angesprochenen LES-Methoden ist, dass zur Bestimmung des Quellterms ein Lärmmodell verwendet wird, in dem die statistischen Strömungsdaten der reagierenden Strömung in ein Leistungsdichtespektrum der Quelle umgewandelt werden. Die Schallausbreitung im Brennersystem und die Abstrahlung in die Umgebung werden anschließend separat berechnet. Die Schallausbreitung soll mit möglichst geringem rechentechnischem Aufwand durchgeführt werden, wobei das akustische Verhalten des Systems aber so gut wie möglich nachgebildet werden muss. Hier wird auf akustische Netzwerkmethoden zurückgegriffen. Diese sind in der Lage, akustische Verluste zu berücksichtigen. Kombiniert wird das Netzwerkmodell mit einer 3D-Akustik-Simulation mittels einer Finiten-Elemente-Methode. Diese kann die ungedärnpfte Akustik des Systems sehr genau bestimmen und liefert Randbedingungen, die in das Netzwerkmodell einfließen. Auf diese Weise entsteht ein genaues Rechenmodell mit geringem Lösungsaufwand.
Numerische Berechnung der Emission verbrennungsinduzierten Lärms automobiler Zusatzheizungen
Energietechnik ; 1-181
2010
181 Seiten, Bilder, Tabellen, 92 Quellen
Theses
German
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