Dissertation/Thesis Abstract

Aeroacoustic Transfer of Leading Edge Serrations from Single Aerofoils to Low-Pressure Fan Applications
by Biedermann, Till, Ph.D., Technische Universitaet Berlin (Germany), 2019, 222; 27700886
Abstract (Summary)

Leading Edge Serrations sind hinlänglich für ihr Potential zur Reduktion von turbulenzinduziertem Schall bekannt. Ebenso können sie sich als aerodynamisch vorteilhaft erweisen. Mit dem Ziel, Leading Edge Serrations industriellen Anwendungen zugänglich zu machen, verbleiben primär noch zwei Hemmnisse. Zum einen die Notwendigkeit einer kombinierten Bewertung des aerodynamischen und des aeroakustischen Potentials mit dem Ziel der Identifikation optimaler Designansätze. Zum anderen sind Aussagen hinsichtlich der Übertragbarkeit der bekannten Schallreduktionsmechanismen von einem einzelnen Tragflügel hin zu rotierenden Strömungsmaschinen zu treffen, da letztere das finale Anwendungsgebiet von Leading Edge Serrations darstellen. Diese Arbeit zielt darauf ab, bei dem Transfer eines umfassend analysierten Tragflügeldesigns mit Leading Edge Serrations hin zu einem rotierenden System zu assistieren. Hierzu wird ein für spätere rotierende Anwendungen sinnvolles Tragflügelprofil gewählt und sowohl experimentell als auch numerisch umfassend untersucht, um eine Datenbasis des aerodynamischen und aeroakustischen Potentials zu generieren. Neben Informationen über die globalen Eigenschaften, wurde ebenfalls die räumliche Lage der Schallquellen lokalisiert. Zudem konnte der Verlauf des spektralen Schallreduktionsvermögens einer klaren Gesetzmäßigkeit zugeordnet werden. In Bezug auf die Aerodynamik wurden Wirbelstrukturen, welche sich an den Leading Edge Serrations bilden, als ursächlich für einen komplexen dreidimensionalen Ablösemechanismus identifiziert, welcher eine verzögerte Strömungsablösung bewirkt. Unter Beibehaltung des gewählten Tragflügelprofils wurde die generierte Datenbasis in einem zweiten Schritt zur Auslegung von axialen Niederdruckventilatoren niedriger Komplexität genutzt. Die hier experimentell identifizieren Schallreduktionsmechanismen sind, im Vergleich zu einem einzelnen Tragflügel, deutlich diverser und weisen eine klare Abhängigkeit vom Betriebspunkt des Ventilators sowie von den Einflussparametern auf. Unter optimalen Zuströmbedingungen kann eine klare Übertragbarkeit der Effekte vom ebenen in das rotierende System gezeigt werden. Im Gegensatz wird das Schallreduktionspotential im Instabilitätsbereich des Ventilators durch aerodynamische Strömungsphänomene dominiert, welche zudem zu einer vorteilhaften Beeinflussung von Schaufelinteraktionen beitragen. Des Weiteren wurde durch den Einsatz von Rotoren mit Leading Edge Serrations eine verzögerte Entstehung von kohärenten Strukturen im Blattspitzenbereich nachgewiesen. Um einen weiteren Schritt in Richtung einer globalen Beschreibung der erhaltenen aeroakustischen und aerodynamischen Abhängigkeiten zu gehen, wurde ein umfassendes Modell generiert, welches auf dem Training künstlicher neuronaler Netze beruht. Das generierte Modell ermöglicht eine kombinierte Prognose der aerodynamischen und aeroakustischen Performance der getesteten Prototypen und weist sowohl im Zeitbereich als auch hinsichtlich der spektralen Zusammensetzung der Signale eine hohe Prognosegüte auf. Dies ermöglicht die Definition multikriterieller Optima bezüglich des Serration Designs und motiviert weiterführende Studien hinsichtlich einer Generalisierbarkeit der beobachteten Trends. Schlussendlich ermöglicht das generierte Modell maßgeschneiderte Designansätze für eine maximale aerodynamische und aeroakustische Effizienz, was einen sinnvollen Beitrag zur zukünftigen Entwicklungen schallarmer Ventilatoren und Strömungsmaschinen darstellt.

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Advisor: Paschereit, Christian Oliver
Commitee:
School: Technische Universitaet Berlin (Germany)
School Location: Germany
Source: DAI-C 81/5(E), Dissertation Abstracts International
Source Type: DISSERTATION
Subjects: Industrial engineering
Keywords: Aerofoils , Fan application , Serration
Publication Number: 27700886
ISBN: 9781392801253
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