Abstract:

Die Belastung des Menschen durch Lärm nimmt stetig zu und hat sich in letzter Zeit zu einem massiven gesundheitsbelastenden und volkswirtschaftlichen Problem entwickelt. Technisch verursachte Geräusche, allen voran der Straßen-, Schienen-, und Flugverkehrslärm haben einen sehr großen Anteil an der täglichen Lärmbelastung. Gesetzesinitiativen, aber auch die wachsenden Ansprüche hinsichtlich einer leiseren Umwelt machen die akustischen Eigen-schaften eines technischen Produktes zu einem marktentscheidenden qualitativen Merkmal. In der Produktentwicklung erfährt die Akustik somit immer mehr eine wachsende Priorisierung. Durch messtechnische und experimentelle Ansätze können jedoch die akustischen Eigen-schaften eines technischen Produktes erst in sehr späten Entwicklungsphasen ermittelt und verbessert werden. Numerische Ansätze dagegen ermöglichen bereits in der frühen, virtuellen Entwicklungsphase Aussagen über die spätere Funktionalität und technologische Eigenschaf-ten zu treffen. Turbulenzbedingte Strömungsereignisse sind häufig die Ursache primärer Schallentwicklung. Eine intensive Betrachtung der aeroakustischen, aber auch der aerodynamischen Eigenschaf-ten eines technischen Produktes ist daher ausschlaggebend für das Erreichen der Qualitäts-ansprüche. Dies erfordert jedoch eine intensive Erforschung entsprechender Grundlagen und Methoden im experimentellen und numerischen Bereich. Numerische strömungsmechanische und -akustische Applikationen im wissenschaftlichen und ingenieurstechnischen Bereich sind komplexer physikalischer Natur und bedürfen einer meist sehr aufwendigen und ressourcen-intensiven Betrachtungsweise. Die in dieser Arbeit verwendete Open Source Bibliothek OpenFOAM für numerische strö-mungsmechanische Simulationen besitzt die Fähigkeit komplexe strömungsmechanische Problemstellungen parallelisiert in High Performance Computing (HPC)-Umgebungen zu lö-sen. Durch die in dieser Arbeit erfolgten Implementierung akustischer Analogien nach Lighthill und Curle wird OpenFOAM um die numerische Berechnung von turbulenzbedingtem Schall erweitert. Auf Basis dieser akustischen Analogien werden die turbulenzbedingten akus-tischen Quellen der Strömung berechnet. Davon ausgehend wird die Ausbreitung der akusti-schen Störgrößen im akustischen Nahfeld auf ein und demselben strömungsmechanischen Netz berechnet und visualisiert. Die neuentwickelten Applikationslöser acousticFoam und acousticRhoFoam basieren auf den transienten Applikationslösern pisoFoam für inkom-pressible und rhoPimpleFoam für kompressible Strömungssimulationen. Die erarbeiteten und vorgestellten Ansätze werden hinsichtlich ihrer Funktionalität und physi-kalischen Korrektheit mit Hilfe von allgemein bekannten aeroakustischen Benchmark-Testfäl-len validiert und verifiziert. Anschließend werden an einem realitätsnahen ingenieurstechni-schen Anwendungsfall die Eigenschaften der entwickelten Methode aufgezeigt und erörtert. Diese numerischen Ergebnisse werden auch durch experimentelle Ergebnisse aus durchge-führten Messungen des Strömungsgeräusches der Applikation abschließend verglichen und diskutiert.