Áramlás- és Hőtechnika (Műszaki és Természettudományok Kollégiuma)
100 %
Ortelius tudományág: Hőtechnika
zsűri
Gépész-, Építő-, Építész- és Közlekedésmérnöki
Kutatóhely
Hidrodinamikai Rendszerek Tanszék (Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem)
résztvevők
Farkas Bence Hős Csaba Pandula Zoltán Vaik István
projekt kezdete
2009-01-01
projekt vége
2012-06-30
aktuális összeg (MFt)
13.346
FTE (kutatóév egyenérték)
4.24
állapot
lezárult projekt
magyar összefoglaló
Az üreghang egy alapvető aeroakusztikai konfiguráció, ami egy téglatest alakú üregből és egy amellett elfújó nyírórétegből áll. A rendszer hallható hangot bocsát ki diszkrét frekvenciákon. A mechanizmus magában foglalja a nyírórétegen végigvonuló és növekvő instabilitási hullámokat, egy nagy amplitúdójú akusztikai forrás létrehozását a nyírórétegnek az alvízi sarokra való fölütközésekor, az akusztikai zavarás visszacsatolását a felvízi sarokról leváló nyíróréteghez, valamint a visszacsatolási zavarás átváltoztatását instabilitási hullámokká. Ezek az oszcillációk sok mérnöki alkalmazásban nem kívánatosak, mert szerkezeti rezgéseket és anyagfáradást okozhatnak. Alkalmazási példák a repülőgépek kerék-ürege vagy az autók ajtórése. Az üreghang bonyolult viselkedést produkál, amelyet a hosszú változatban részletesen leírtunk. A project egy szimulációs módszertan alkalmazását tűzi ki célul, amelyet az előző OTKA projektben dolgoztunk ki. Először áramlásszimulációt, később akusztikai szimulációt alkalmazunk. Várható eredmények: - Az irodalomban közölt jelenségek reprodukálása, és eddig nem megmagyarázott jelenségek megmagyarázása: - A módszertan továbbfejlesztése, hogy bonyolult (turbulens is) instacionárius áramlásokat és az általuk gerjesztett hangot tudjuk pontosan számítani; - Egy kísérleti berendezés építése a számítási eredmények validálása érdekében; - Aeroakusztikai kompetencia felépítése a tanszéken, magas színvonalú tudományos munka végzésének és ipari problémák megoldásának érdekében;
angol összefoglaló
The cavity tone is a basic aeroacoustic configuration consisting of a rectangular cavity and a shear layer flowing past it. The system emits an audible tone at discrete frequencies. The mechanism involves the growth and convection of instability waves in the shear layer spanning the cavity, the generation of large amplitude acoustic source associated with the shear layer impingement on the cavity trailing edge, feedback of the acoustic disturbance to the separation edge and conversion of the feedback disturbance to shear layer instability waves through a recepticity process. These oscillations are undesirable in many engineering applications as they can induce structural vibrations and fatigue. Applications include automobile door gaps or aircraft wheel wells. The cavity tone display a complex behaviour described in more detail in the long version of the proposal. Our project is concerned with applying a computational methodology worked out in the previous OTKA project. First we use flow simulation, later coupled acoustic simulation. Expected results: - Reproduce phenomena reported in the literature and explain hitherto unexplained phenomena; - Improving the methodology which is able to predict complex (possibly turbulent) unsteady flows with high accuracy and predict also the radiated sound; - Building an experimental apparatus and comparing measured results with computational ones; - Building up aeroacoustic competence in order to be able do high quality scientific work as well as solving industrial problems in this field; - Contributing to higher engineering education by producing one or two PhD dissertations.
Zárójelentés
kutatási eredmények (magyarul)
Az üreghang egy egyszerű és sokat vizsgált áramlási konfiguráció, amely egy sík felületből kivágott, téglatest alakú üreg fölött elsüvítő áramlást jelent. A stabilitását elvesztő nyíróréteg spontán lengésbe kezd az üregből ki-be és ezáltal rezgéseket, illetve zajt okozhat. Munkánk zöme a 2D üreghang konfiguráció áramlásszimulációja volt. A kezdeti alapos háló- és numerikus paramétertanulmány után fizikai paramétertanulmányokat végeztünk. A legfontosabb fizikai paraméterek a zavartalan sebesség, a határréteg-vastagság az üreg belépő peremén és az üreg hosszúság-mélység aránya voltak. A vizsgált változó pedig a nyíróréteg-lengés frekvenciája volt. A sebesség változtatásával három kvalitatíve különböző tartományt sikerült azonosítani. Érdekes az alacsony frekvenciájú komponens megjelenése, amit mások kísérletileg kimutattak már.
A különböző frekvenciakomponensek vizsgálata során alaposabban megvizsgáltuk az örvények mozgását az üregben és ennek során kifejlesztettünk egy új örvénydetektálási kritériumot, ami Klein és Hua kritériumának továbbfejlesztése. Ennek előnyeit az eddigi kritériumokkal szemben demonstráltuk.
A terveknek megfelelően elkészítettük attraktorok rekonstrukciójára alkalmas szoftvereket, ám ezek élesben való kipróbálására elegendően hosszú idősorokra van szükség. Ezeket szimulációkból nem tudjuk előállítani, ezért meg kell várni, amíg a mérések megfelelő adatsorokat szolgáltatnak. A mérőberendezés elkészült, de a mérőrendszerrel a vártnál több problémánk volt.
kutatási eredmények (angolul)
The cavity tone is a simple and much-investigated flow configuration meaning a flow over rectangular cutout in a plane. The shear layer loses its stability and starts spontaneously oscillating in and out of the cavity thereby causing noise and vibrations. The bulk of our work was the 2D numerical flow simulation of the cavity tone. Following a thorough initial mesh and numerical parametric study we performed physical parametric studies. The main physical parameters investigated were the free stream velocity, the boundary layer thickness at the entrance of the cavity and the cavity length to depth ratio. The main output parameter was the shear layer oscillation frequency. By changing the velocity we identified three qualitatively different regimes. The appearance of a low frequency component is interesting; it was shown previously by other authors.
While studying the various frequency components we closely investigated the motion of vortices int he cavity and as a consequence we developed a new vortex detection criterion, based on the criterion of Klein and Hua. Its advantages over the previous criteria has been demonstrated.
We wrote the attractor-reconstruction software but its application to real data is delayed because we need long enough data series. These cannot be produced with simulations so that we have to wait until we are able to obtain the data from measurements. The measurement rig is complete but we had more problems with the instrumentation than expected.
B. Farkas, G. Paál: Computational investigation on the oscillation frequencies of the shear layer over an open cavity, Conference on Modelling Fluid Flow (CMFF’09), 2009
I Vaik, G Paál: Experiments on the edge tone, Conference on Modelling Fluid Flow CMFF’09. Budapest, Magyarország, pp. 711-718. (ISBN: 978-963-420-987-4), 2009
I Vaik, G Paál: Stage jumps in the edge tone, 17th International Congress on Sound and Vibration (ICSV17). Cairo, Egyiptom, . Paper 854., 2010
B Farkas, G Paál, M Kaltenbacher, S Triebenbacher: Computational simulation on the cavity tone using CFS++, 17th International Congress on Sound and Vibration (ICSV17). Cairo, Egyiptom, Paper 729, 2010
B Farkas, G Paál, M Kaltenbacher, S Triebenbacher: Computational simulation on the cavity tone using CFS++, 17th International Congress on Sound and Vibration (ICSV17). Cairo, Egyiptom, Paper 729, 2010
I Vaik, G Paál: Mode switching and hysteresis in the edge tone, Journal of Physics: Conference Series, (ISSN: 1742-6588) 268:(1) pp. 1-4. Paper 012031, 2011
I Vaik and G Paál: Flow simulations on an organ pipe foot model (beadva), Journal of the Acoustical Society of America, 2013
István Vaik, György Paál, Manfred Kaltenbacher, Simon Triebenbacher, Stefan Becker, Igor Shevchenko: Aeroacoustics of the edge tone: 2D-3D coupling between CFD and CAA, Acustica - acta acustica, 2013
