Introduction to Aeroacoustics and Self-Sustained Oscillations of Internal Flows

Hirschberg, Avraham

doi:10.1007/978-3-7091-1458-2_1

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“…In a frequency range in which this is satisfied, an incoming acoustic wave from the can is amplified at the coupling aperture. Note that in the presence of a mean flow, there is some arbitrariness in the definition of the acoustic field, and hence of the acoustic impedance [56]. This means that the dimensionally consistent definition given in eq.…”

Section: Acoustic Couplingmentioning

confidence: 99%

Coupling-Induced Instability in a Ring of Thermoacoustic Oscillators

Pedergnana,

Noiray

2021

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In this work, we derive a model to investigate the generic thermoacoustic behavior of an idealized can-annular combustor containing N cans. We start from the acoustic wave equation, which simplifies to a Helmholtz equation in the frequency domain. By projecting this equation onto the dominant natural eigenmode of a single can, we derive a symmetric system of N coupled ordinary differential equations (ODEs) in the frequency domain for the dynamics of the dominant modal amplitudes. Assuming perfect symmetry, we use a Bloch wave ansatz to reduce this system to an equivalent single ODE in the frequency domain. The acoustic pressure fields in the cans are coupled at the annular turbine inlet. To model the effect of mean flow in the cans on the acoustic coupling, we use Howe's model for the Rayleigh conductivity of a rectangular aperture under turbulent grazing flow. The resulting low-order model allows us to study the influence of physical parameters such as natural eigenfrequency, the mean flow speed, the aperture width, the base linear growth rate and the can spacing on the frequency spectrum of an idealized can-annular combustor. We show that, depending on the values of the system parameters, the acoustic coupling can suppress or amplify thermoacoustic instabilities, raising the potential for instabilities in nominally stable systems.

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Section: Acoustic Couplingmentioning

confidence: 99%

Coupling-Induced Instability in a Ring of Thermoacoustic Oscillators

Pedergnana,

Noiray

2021

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“…Model 1 is based on Howe's vortex sheet theory [20] and model 2 on an assumed coherent vertical velocity profile ṽy in the side branch aperture. It is not a straightforward task to compute the acoustic impedance in the presence of a mean flow, because, as Hirschberg [21] states, "when the reference fluid is not uniform or there is a mean flow, there is some arbitrariness in the definition of the acoustical field and of the corresponding acoustical energy". In our approach, we compute Z from the Rayleigh conductivity K R [20].…”

Section: Modelling the Acoustic Impedancementioning

confidence: 99%

Modeling the nonlinear aeroacoustic response of a harmonically forced side branch aperture under turbulent grazing flow

Pedergnana,

Bourquard,

Faure-Beaulieu

et al. 2020

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Hydrodynamic modes in the turbulent mixing layer over a cavity can constructively interact with the acoustic modes of that cavity and lead to aeroacoustic instabilities. The resulting limit cycles can cause undesired structural vibrations or noise pollution in many industrial applications.To further the predictive understanding of this phenomenon, we propose two physics-based models which describe the nonlinear aeroacoustic response of a side branch aperture under harmonic forcing with variable acoustic pressure forcing amplitude p a . One model is based on Howe's classic formulation that describes the shear layer as a thin vortex sheet, and the other on an assumed vertical velocity profile in the side branch aperture. These models are validated against experimental data. Particle image velocimetry (PIV) was performed to quantify the turbulent and coherent fluctuations of the shear layer under increasing p a . The specific acoustic impedance Z of the aperture was acquired over a range of frequencies for different bulk flow velocities U and acoustic pressure forcing amplitudes p a .In this work, we show that, once the handful of parameters in the two models for Z have been calibrated using experimental data at a given condition, it is possible to make robust analytical predictions of this impedance over a broad range of the frequency, bulk flow velocity and forcing amplitude. In particular, the models allow prediction of a necessary condition for instability, implied by negative values of the acoustic resistance Re(Z), which corresponds to a reflection coefficient R of the aperture with magnitude larger than 1. Furthermore, we demonstrate that the models are able to describe the nonlinear saturation of the aeroacoustic response caused by alteration of the mean flow at large forcing amplitudes, which was recently reported in literature.This effect stabilizes the coupling between the side branch opening and the acoustic field in the cavity, and its quantitative description may be of value for control of aeroacoustic instabilities.We visualize and compare the models' representations of the hydrodynamic response in the side branch aperture and of the saturation effect under increasing p a .

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“…The acoustic analogy can be generalised for flows in the presence of walls. Curle's approach includes the use of free-space Green's function G 0[157,161]. It is usually assumed that the ambient medium is in a mean state of rest at vast distances from the bodies and source region, and Monopole, dipole, and quadrupole generating waves on the surface of the water around the boat (inspired by Wagner, Hüttl, and Sagaut[157]).…”

mentioning

confidence: 99%

Stochastic modelling of leading-edge noise in time-domain using vortex particles

Sharma

Sarradj

Schmidt

2020

Journal of Sound and Vibration

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Die konzeptionelle und vorläufige Auslegung rotierender Maschinen wie Lüfter, Windturbinen, gegenläufiger offener Rotoren und Hubschrauberblätter erfordert kostengünstige und einfach zu bedienende Werkzeuge, die eine schnelle Geräuschbeurteilung und Optimierungsanalyse ermöglichen. Die neuesten numerischen und experimentellen Methoden sind für die Durchführung einer Optimierungsstudie zu rechenaufwändig, wohingegen kostengünstige Methoden, wie zum Beispiel analytische, bei realistischen Profilgeometrien vor allem im Bereich hoher Frequenzen sowie bei höheren Anstellwinkeln erhebliche Fehler aufweisen können. Da Turbulenz grundsätzlich eine statistische Größe ist, erscheint es sinnvoll, eine turbulente Strömung sowie auch die Interaktion eines Tragflügel-oder Schaufelprofils mit einer solchen Strömung statistisch zu modellieren. Die Bestimmung der instationären Reaktion des Strömungsprofils ist anschließend für die Vorhersage des entstehenden aerodynamischen Schalls von entscheidender Bedeutung. Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Entwicklung einer neuen kostengünstigen und benutzerfreundlichen numerischen Technik für aeroakustische Konstruktionen, die sich hauptsächlich auf die Wechselwirkung zwischen Tragflügelprofilen und Turbulenzen konzentriert. Die Entwicklung der statistischen Methode gliedert sich in drei Abschnitte; nämlich-1) der Berechnung der Hintergrundströmung, 2) der Modellierung der statistisch optimierten turbulenten Zuströmung, und 3) der Generierung einer Wirbeldatenbank zur Vorhersage des entstehenden Schalls für mehrere Strömungsfelder, die durch unterschiedliche Werte von Turbulenzintensitäten und Längenskalen gekennzeichnet sind. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein neuer Ansatz zur Modellierung einer turbulenten Zuströmung-und damit einer für die Lärmerzeugung wesentlichen Größe-vorgestellt, der eine vergleichsweise schnelle Berechnung erlaubt und nicht auf die Nutzung von Hochleistungscomputern angewiesen ist. Durch diesen Ansatz kann der Einfluss von Turbulenzparametern auf das in Turbomaschinen erzeugte Geräusch quantifiziert werden, wobei auch die geometrischen Parameter des Schaufelblatts bei der Geräuschvorhersage berücksichtigt werden. Die Hintergrundströmung wird bei dieser Methode numerisch simuliert, indem die Wirbeltransportgleichungen in der Lagrange-Form gelöst werden (sogenannte Vortex-Methoden). Der akustische Einfluss einer endlichen Anzahl von Wirbeln, charakterisiert durch alle möglichen Kombinationen von Wirbelgröße, Zirkulation und Injektionsposition /-zeit, definiert unter Verwendung der Bereiche von Wahrscheinlichkeitsverteilungsfunktionen, die von Injektionspunkten stromaufwärts des Schaufelblatts abgegeben werden, werden vorberechnet und in einer Matrix gespeichert. Diese Methode ist daher im Vergleich zu klassischen Vortex-Methoden vergleichsweise rechengünstig, da die Auswirkungen von Partikeln vorausberechnet, in einer Matrix gespeichert und schließlich zur Berechnung der Schallentstehung nur noch ausgelesen werden.

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Introduction to Aeroacoustics and Self-Sustained Oscillations of Internal Flows

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Coupling-Induced Instability in a Ring of Thermoacoustic Oscillators

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Modeling the nonlinear aeroacoustic response of a harmonically forced side branch aperture under turbulent grazing flow

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