 |
Further development of a phased array microphone-based diagnostics method for aiding in the noise and loss reduction of axial flow fans
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
112277 |
| Type |
K |
| Principal investigator |
Vad, János |
| Title in Hungarian |
Mikrofontömbös diagnosztikai módszer továbbfejlesztése axiális átömlésű ventilátorok zaj- és veszteségcsökkentésének támogatására |
| Title in English |
Further development of a phased array microphone-based diagnostics method for aiding in the noise and loss reduction of axial flow fans |
| Keywords in Hungarian |
mikrofontömb, axiális átömlésű ventilátor, zajcsökkentés, veszteségcsökkentés, numerikus áramlástan, numerikus aero-akusztika |
| Keywords in English |
Phased Array Microphone (PAM), axial flow fan, noise reduction, loss reduction, Computational Fluid Dynamics (CFD), Computational Aero-Acoustics (CAA) |
| Discipline |
| Flow and Thermal Technology (Council of Physical Sciences) | 100 % | | Ortelius classification: Thermal engineering |
|
| Panel |
Engineering, Metallurgy, Architecture and Transport Sciences |
| Department or equivalent |
Department of Fluid Mechanics (Budapest University of Technology and Economics) |
| Participants |
Benedek, Tamás
Horváth, Csaba
Kristóf, Gergely
Tóth, Bence
|
| Starting date |
2014-09-01 |
| Closing date |
2018-08-31 |
| Funding (in million HUF) |
15.753 |
| FTE (full time equivalent) |
4.32 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A kutatás célkitűzései:
* Az OTKA K 83807 projektben megalapozott, axiálventilátorokra alkalmazott mikrofontömbös diagnosztikai módszer hardver hátterének továbbfejlesztése: összehasonlító mérések kézi hangnyomásszint-mérővel; módszer kidolgozása a résáramlás aerodinamikai-akusztikai hatásának részletesebb feltárására; kifúvás-oldali mérésekre való előkészületek.
* A kétdimenziós (2D) lapátrács-szemléletben végzett aerodinamikai-akusztikai elemzés pontosítása: a lapátozás lokális áramlási vesztesége és a lokális szélessávú zajkibocsátás közötti frekvenciafüggő összefüggés számszerűsítése, annak pontosítása; új aerodinamikai mérőszám bevezetése révén. A lapátozás áttervezésében felhasználható, 2D szemléletű, számszerű irányelvek megfogalmazása, a veszteség és a zaj célzott mérséklése érdekében.
* A diagnosztikai módszer kiegészítése numerikus áramlástani (Computational Fluid Dynamics, CFD) és numerikus aero-akusztikai (Computational Aero-Acoustics, CAA) szimulációval, a járókerék-lapátcsatornák belsejében és a kifúvási zónában fellépő áramlási és akusztikai jelenségek együttes vizsgálatára, háromdimenziós (3D) szemléletmódban.
* Esettanulmányok: szívóoldali mérések, és az azokra épülő 2D aerodinamikai-akusztikai elemzés, valamint 3D CFD és CAA esettanulmányok. Ezek alapján az áttervezési irányelvek pontosítása.
* A vizsgálatok kiegészítése kifúvás oldali mérésekkel, az áttervezési irányelvek további pontosítása érdekében.
* Az esettanulmányok és az áttervezési irányelvek kiterjesztése a következő, ipari szempontból releváns konfigurációkra: cső nélküli (fali) ventilátor; ventilátor csőtoldattal ellátva; járókerék-lapátok zajcsökkentő véglappal ellátva.
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A kutatás előzményeként megalapoztunk egy ventilátor-diagnosztikai módszert. Ennek révén azonosítottuk a ventilátorzaj forrásait. Összefüggéseket tártunk fel a járókerék-lapátozás lokális veszteségi mérőszámai és a lokális széles sávú zajkibocsátás között. Mindezek alapján kvalitatív mérnöki irányelveket fogalmaztunk meg a ventilátorzaj-csökkentés lehetőségeire vonatkozóan.
A kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma a következő:
* A feltárt összefüggések, irányelvek számszerűsítése, pontosítása, érvényességi körük kiterjesztése, alkalmazhatósági korlátaik megállapítása,
* lehetővé téve visszacsatolásukat a ventilátor-előtervezésbe és áttervezésbe, az előírt teljesítményű ventilátor áramlási veszteségének és zajának összehangolt csökkentése érdekében,
* a diagnosztikai-kiértékelési módszer továbbfejlesztése, és különféle ventilátor-konfigurációkra való kibővített alkalmazása révén.
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
* A továbbfejlesztett diagnosztikai módszer lehetővé teszi már beépített ventilátorok helyszíni vizsgálatát ipari létesítményekben és emberi tartózkodásra rendelt helyiségekben egyaránt. A vizsgálatok alapján olyan intézkedések tehetőek a beépített gépekre vonatkozóan (pl. megfelelő beszívó idom beiktatása), amelyek révén a ventilátor biztosítja az elvárt légszállítást, emellett pedig lehetővé válik az áramlási veszteség és a ventilátorzaj együttes mérséklése.
* A diagnosztikai módszert gyári prototípus ventilátorokra alkalmazva, lehetővé válik a járókerék-lapátozás és más alkatelemek iteratív áttervezése még a sorozat- illetve tömeggyártás előtt. Ezáltal az előírt légtechnikai teljesítményt jobb hatásfokkal és mérsékelt zajjal ellátó, fokozott piaci versenyképességű ventilátorok fejleszthetőek ki (hajtó villamos motor mérsékelt teljesítményfelvétele; kisebb névleges tengelyteljesítményű, ezáltal kisebb méretű és kedvezőbb árú motor; csendesebb üzemű ventilátor). A diagnosztikai módszernek köszönhető intézkedések segítik a ventilátorgyártót abban, hogy terméke megfeleljen a nemzetközileg előírt energetikai és akusztikai elvárásoknak (pl. 327/2011/EU "Ventilátor-rendelet").
* A kutatási program hozzájárul az áramlástechnikai forgógépekre alkalmazott mikrofontömbös diagnosztikai kultúra magyarországi meghonosításához, elmélyítéséhez. A tapasztalatok birtokában a jövőben lehetőség nyílik arra, hogy a mikrofontömbös technikát más áramlástechnikai gépekre, berendezésekre is alkalmazzuk, azok hatékonyságnövelése és zajcsökkentése érdekében.
* A BME Áramlástan Tanszék az elmúlt években számos témában együttműködött a római La Sapienza egyetem mechanika tanszékével - nemzetközileg elismert kutatóhely axiális ventilátorok aerodinamikai és akusztikai kutatása terén -, valamint a Fläkt Woods ventilátorgyártó vállalattal, mely cég az axiálventilátorok egyik nemzetközi piacvezetője. A javasolt kutatási programban munkánkat szakmai konzultáció révén támogatni fogja a La Sapienza és a Fläkt Woods, ezzel is segítve az elért eredmények nemzetközi tudományos és ipari beágyazottságát. Az együttműködés megalapozza, hogy a külföldi partnerekkel konzorciális (pl. EU) K+F projekteket generáljunk a jövőben.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A mikrofontömbös mérési módszer segítségével kimutatható, hogy adott berendezés egyes részei milyen erősségű zajt sugároznak. Ennek alapján azonosíthatóak a jelentős zajforrások, és intézkedéseket tehetünk a zaj csökkentése érdekében. Az ipari folyamatokhoz, épületek szellőztetéséhez szükséges levegő szállítását ventilátorok végzik, melyek zajt bocsátanak ki. Különösen zajosak az ún. axiális átömlésű ventilátorok ("axiálventilátorok"), amelyekben a levegő a járókerék forgástengelyével közel párhuzamosan áramlik. Fentiek szerint az axiálventilátorok mikrofontömbös vizsgálata komoly gyakorlati jelentőséggel bír a ventilátorzaj csökkentése érdekében.
Kutatócsoportunk Magyarországon elsőként alkalmazta a mikrofontömbös mérést axiálventilátorok diagnosztikájában. A kutatás célkitűzései:
* Az általunk kidolgozott mikrofontömbös mérési és kiértékelési eljárás kiegészítése, pontosítása; kiterjesztése különféle ventilátortípusokra (pl. fali ill. csőbe építhető ventilátor).
* A mérések kiegészítése a légáramlás és a zaj számítógépes modellezésével, a ventilátorban kialakuló áramlási veszteség és zaj további - eddig nem ismert - részleteinek megismerésére.
* A ventilátorban kialakuló áramlási veszteség és zaj közötti számszerű összefüggések felkutatása: közelítő megfontolásokból kiindulva, majd azokat a mérési és számítógépes modellezési eredmények alapján pontosítva.
* A számszerű összefüggések alapján: olyan új áttervezési irányelvek megfogalmazása, amelyek alapján a vizsgált ventilátor geometriája célszerűen módosítható - nemcsak a zaj, de az áramlási veszteség csökkentése érdekében is. Ezáltal csendesebb és takarékosabb üzemű ventilátorok alakíthatóak ki.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The objectives of research:
* Further development of hardware background of phased array microphone-aided methodology applied to axial flow fans, established in the OTKA K 83807 project: comparative measurements by means of a handy sound pressure meter; elaboration of a method for a more detailed exploration of aerodynamic and acoustic effects related to the tip leakage flow; preparation for downstream measurements.
* Refinement of aerodynamics-acoustics analysis obtained in a two-dimensional (2D) approach: quantification and refinement of the frequency-dependent correlation between the local blade loss and local broadband noise, by means of introducing a new aerodynamic indicator. Formulation of quantitative guidelines in a 2D approach, being applicable in blade redesign for purposeful reduction of loss and noise.
* Supplements to the diagnostics method with Computational Fluid Dynamics (CFD) and Computational Aero-Acoustics (CAA) simulation, for concerted investigation of the fluid mechanics and acoustics phenomena occurring inside the blade passages and in the blow-out zone, in a three-dimensional (3D) approach.
* Case studies: upstream measurements; on this basis: 2D aerodynamics-acoustics analysis; 3D CFD and CAA case studies. On these bases: refinements in the redesign guidelines.
* Supplements to the studies with downstream measurements; on this basis: further refinements in the redesign guidelines.
* The case studies and redesign guidelines are extended to the following configurations, being of industrial relevance: unducted (e.g. wall-mounted) fan; fan equipped with short duct elements; rotor blades equipped with noise-reducing end-plates.
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
As precedent to the proposed research, a fan diagnostics method has been established. By such means, the sources of fan noise have been localised. Correlations have been discovered between the quantitative indicators of local blade loss and local broadband noise. On this basis, qualitative engineering guidelines have been formulated with regard to the possibilities of reducing fan noise.
The problem to be solved by means of the proposed research project is as follows:
* Quantification and refinement of the explored correlations and guidelines, extension of the range of their application, establishment of their applicability limits,
* thus making possible their feedback to preliminary design and redesign of fans, for systematic reduction of the aerodynamic loss and the noise for fans of prescribed aerodynamic performance,
* by means of further development of the diagnostics and evaluation method, the application of which is to be extended to various fan configurations.
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
* The further developed diagnostics method makes possible the on-site investigation of fans already in operation. On the basis of the investigations, such actions can be taken with regard to the built-in fans (e.g. insertion of an appropriate inlet element) that guarantee the realisation of the expected airflow, while reducing the aerodynamic loss and the noise in a concerted manner.
* Applying the diagnostics method to prototypes provided by a fan manufacturer makes possible the iterative redesign of the rotor blading, as well as other fan elements, prior to serial or mass production. By such means, more competitive fans can be developed that realise the prescribed aerodynamic performance with higher efficiency and less noise (moderate power input to the driving electric motor; need for a driving motor of moderate nominal shaft power: smaller, lighter-weight and less expensive motor; more silent fan). This gives an aid to the fan manufacturer to correspond to the internationally prescribed energetics and acoustics measures (e.g. 327/2011/EU "Fan regulation").
* The research project contributes to the domestication and enrichening of the phased array microphone-related culture applied in Hungary to turbomachinery. In the future, the gathered experience makes possible the extension of the diagnostics methodology to further subjects of fluid machinery and equipment, thus giving an aid to the improvement of their effectiveness, and to the reduction of the noise emitted by them.
* In the past years, the Department of Fluid Mechanics, BME, developed an active collaboration with the Department of Mechanics, University of Rome "La Sapienza" (an internationally acknowledged research institution in the fields of axial fan aerodynamics and acoustics), as well as with the fan manufacturer company Fläkt Woods (an axial fan market leader), in many areas of collaboration. Within the proposed project, La Sapienza and Fläkt Woods will support the Research Team by means of technical consultation, thus supporting the scientific and industrial embedding of the project results. The collaboration gives a basis for generation of consortial (e.g. EU) R&D projects in the future with the foreign partners.
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
By means of the "phased array microphone" (PAM) measurement method, it can be pointed out how intense noise is radiated by the particular elements of the equipment under investigation. On this basis, the significant noise sources can be identified, and actions can be taken for the reduction of noise. The air used in industrial processes or in ventilation of buildings is delivered by fans, emitting noise. The axial flow fans - in which the air flows nearly parallel to the rotor axis - are especially noisy. The above suggest that the PAM investigation of axial flow fans is of great importance in reduction of fan-related noise.
The first application of the PAM technique in Hungary in diagnostics of axial fans is dedicated to our Research Team. Our objectives are as follows:
* Supplements and refinements to the formerly elaborated PAM-related diagnostics and evaluation technique; its extension to various axial fan types (e.g. wall-mounted and ducted fans).
* Supplements to the measurements with computational modelling of airflow and noise, for comprehension of - still unknown - further details of loss and noise generated in the fans.
* Formulation of quantitative correlations between the aerodynamics loss and the noise generated in the fans, taking approximate considerations as a starting point, and refining them on the basis of the results of the measurements and the computations.
* With use of the quantitative correlations: formulation of new guidelines for fan redesign, by means of which the geometry of the fan can purposefully be modified, in order to reduce both noise and loss. On this basis, more silent and more economical fans can be realized.
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
List of publications |
|
|
| Tóth B, Vad J: Algorithmic localisation of noise sources in the tip region of a low-speed axial flow fan, Journal of Sound and Vibration, 393, pp. 425-441, ISSN: 0022-460X, 2017 | | Kotán G, Tóth B, Vad J: Comparison of the rotating source identifier and the virtual rotating array method, Periodica Polytechnica, Mechanical Engineering, 62 (4), pp. 261-268, ISSN: 1587-379X, 2018 | | Tóth B, Kalmár-Nagy T, Vad J: Rotating beamforming with uneven microphone placements, 7th Berlin Beamforming Conference (BeBeC), Paper ID BeBeC-2018-D23 , Berlin-Adlershof, Germany, 5-6 March, 2018 | | Tóth B, Vad J: A fuzzy clustering method for periodic data, applied for processing turbomachinery beamforming maps, Journal of Sound and Vibration, 434, pp. 298-313, ISSN 0022-460X, 2018 | | Benedek T: Axiális átömlésű ventilátor mikrofontömbös diagnosztikája, Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Doktori Iskola: Pattantyús-Ábrahám Géza Gépészeti Doktori Iskola. Tudományág: műszaki tudományok/gépészeti tudományok, 2018 | | Nagy B, Balla E: Szárnymetszetek körüli áramlás szimulációja alacsony Reynolds-számokon, Tavaszi Szél 2017 Konferencia, Miskolc, Magyarország, 2017.03.31-2017.04.02, pp. 90-101, ISBN:978-615-5586-18-7, 2017 | | Balla E, Vad J: Combined aerodynamic and phased array microphone studies on basic models of low-speed axial fan blade sections, Proceedings of the ASME Turbo Expo 2018: Turbomachinery Technical Conference and Exposition GT2018, Paper ID GT2018-75778, 11-15 June 2018, Lillestrom, Norway, 2018 | | Balla E, Vad J: Lift and drag force measurements on basic models of low-speed axial fan blade sections, Proc. IMechE, Part A - Journal of Power and Energy, Online first, 11p, ISSN: 0957-6509, 2018 | | Tóth B, Vad J: Ipari axiális ventilátorok akusztikai diagnosztikája, Magyar Épületgépészet, LXIII (11), pp. 18-20, ISSN: 1215-9913, 2014 | | Vad J, Halász G, Benedek T: Efficiency gain of low-speed axial flow rotors due to forward sweep, Proc. IMechE, Part A - Journal of Power and Energy, 229 (1), pp. 16-23, ISSN: 0957-6509, 2015 | | Horváth Cs, Tóth B, Tóth P, Benedek T, Vad J: Reevaluating noise sources appearing on the axis for beamform maps of rotating sources, Fan 2015 - International Conference on Fan Noise, Technology and Numerical Methods, Lyon, France, 15-17 April 2015, Paper # 13, 11 p, ISBN: 978-0-9572374-3-8, 2015 | | Kalmár-Nagy T, Bak B D, Benedek T, Vad J: Vibration and noise of an axial flow fan, Periodica Polytechnika, Mechanical Engineering, 59 (3), pp. 109-113, ISSN: 1587-379X, 2015 | | Benedek T, Vad J: An industrial on-site methodology for combined acoustic-aerodynamic diagnostics of axial fans, involving the Phased Array Microphone technique, International Journal of Aeroacoustics – Special Issue on Turbomachinery Aeroacoustics (accepted: 6 May 2015), 2015 | | Benedek T, Vad J: Spatially resolved acoustic and aerodynamic studies upstream and downstream of an industrial axial fan with involvement of the phased array microphone technique, ETC’11 - The 11th European Conference on Turbomachinery Fluid Dynamics and Thermodynamics, Madrid, Spain, 23-27 March 2015, Paper # 128, 11p, ISSN: 2410-4833, 2015 | | Lukács E, Vad J: On the track of the Borda-Carnot loss, CMFF’15 - Conference on Modelling Fluid Flow, Budapest, Hungary, 1-4 September 2015, Paper # 78, 6p, ISBN: 978-963-313-190-9, 2015 | | Benedek T, Vad J: Case-specific semi-empirical guidelines for simultaneous reduction of loss and emitted noise in an axial flow fan, CMFF’15 - Conference on Modelling Fluid Flow, Budapest, Hungary, 1-4 September 2015, Paper # 108, 8p, ISBN: 978-963-313-190-9, 2015 | | Horváth Cs, Tóth B: Towards a better understanding of turbomachinery beamform maps, CMFF’15 - Conference on Modelling Fluid Flow, Budapest, Hungary, 1-4 September 2015, Paper # 106, 8p, ISBN: 978-963-313-190-9, 2015 | | Tóth B, Vad J: Challenges in evaluating beamforming measurements on an industrial jet fan, CMFF’15 - Conference on Modelling Fluid Flow, Budapest, Hungary, 1-4 September 2015, Paper # 186, 5p, ISBN: 978-963-313-190-9, 2015 | | Benedek T, Vad J: An industrial on-site methodology for combined acoustic-aerodynamic diagnostics of axial fans, involving the Phased Array Microphone technique, International Journal of Aeroacoustics – Special Issue on Turbomachinery Aeroacoustics, 15 (1-2), pp. 81-102., 2016 | | Horváth Cs, Tóth B: Separating apart the contributions from multiple tonal noise sources which are localized to the Mach radius, Berlin Beamforming Conference (BeBeC), Paper ID BeBeC-2016-D16, Berlin-Adlershof, Germany, 29 February - 01 March 2016, 2016 | | Tóth B, Vad J: An efficient methodology for comprehensive evaluation of turbomachinery source maps, Berlin Beamforming Conference (BeBeC), Paper ID BeBeC-2016-D17, Berlin-Adlershof, Germany, 29 February - 01 March 2016, 2016, 2016 | | Benedek T, Vad J: Study on the effect of inlet geometry on the noise of an axial fan, with involvement of the phased array microphone technique, Proceedings of ASME Turbo Expo 2016: Turbomachinery Technical Conference and Exposition GT2016, Paper ID GT2016-57772, 13-17 June 2016, Seoul, South Korea, 2016 | | Tóth B, Vad J: Fourier analysis of beamforming data at the tip of an axial fan rotor, Periodica Polytechnika, Mechanical Engineering, 60 (3), pp. 152-158, ISSN: 1587-379X, 2016 | | Tóth B, Vad J: Algorithmic localisation of noise sources in the tip region of a low-speed axial flow fan, Journal of Sound and Vibration, Vol. 313, pp. 425-441, ISSN: 0022-460X, 2017 | | Tokaji K, Horváth Cs: Akusztikailag átlátszó cső tervezése, XXV. Nemzetközi Gépész Találkozó (OGÉT), Kolozsvár, Románia, 2017. április 27-30, pp. 416-419, 2017 | | Fenyvesi B: Vortex áramlásmérő kalibrálási tapasztalatai, GÉP, LXVIII (1), pp. 45-51, ISSN: 0016-8572, 2017 | | Fenyvesi B: Vortex áramlásmérõk rendhagyó nemlinearitás-vizsgálata, Magyar Épületgépészet, LXVI (5), pp. 25-28, ISSN: 1215-9913, 2017 | | Fenyvesi, B: Vortex áramlásmérő nemlineáris viselkedésének vizsgálata numerikus szimuláció alkalmazásával, XXV. Nemzetközi Gépész Találkozó (OGÉT), Kolozsvár, Románia, 2017. április 27-30, pp. 139-142, 2017 | | Fenyvesi B, Horváth Cs: Investigation on the nonconstant behavior of a vortex flow meter with narrow gauge pipe via conducting measurements and numerical simulations, Periodica Polytechnika, Mechanical Engineering, 61 (3), pp. 247-254, ISSN: 1587-379X, 2017 | | Balla E, Vad J: Establishment of a beamforming dataset on basic models of low-speed axial fan blade sections, Periodica Polytechnika, Mechanical Engineering, 61 (2), pp. 122-129, ISSN: 1587-379X, 2017 | | Balla E, Vad J: Beamforming studies on basic models of low-speed axial fan blade sections, ETC’12 - The 12th European Conference on Turbomachinery Fluid Dynamics and Thermodynamics, Stockholm, Sweden, 3-7 April 2017, Paper # 119, 12p, 2017 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
