Titelaufnahme

Titel
Numerical analysis of an impinging jet in a turbulent flow field / Böck, Michelle
VerfasserBöck, Michelle
Begutachter / BegutachterinReichl, Christoph ; Grössinger, Roland
Erschienen2010
UmfangII, 128, 21 Bl. : Ill., graph. Darst.
HochschulschriftWien, Techn. Univ., Dipl.-Arb., 2010
Anmerkung
Zsfassung in dt. Sprache
SpracheEnglisch
DokumenttypDiplomarbeit
Schlagwörter (DE)Strömungslehre / Freistrahl / Computational Fluid Dynamics / turbulente Strömung / Turbulenzmodellierung
Schlagwörter (EN)Fluid Dynamics / free jet / Computational Fluid Dynamics / turbulent flow fields / turbelence models
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-39594 Persistent Identifier (URN)
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Numerical analysis of an impinging jet in a turbulent flow field [27.87 mb]
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Klassifikation
Zusammenfassung (Deutsch)

Die numerische Strömungsmechanik, auf englisch Computational Fluid Dynamics (CFD) beschäftigt sich mit der numerischen Behandlung von Strömungsvorgängen. Fast jedes Strömungsphänomen kann mithilfe der Navier-Stokes Gleichungen, die das Newtonsche reibungsbehaftete Fluid beschreiben, formuliert werden. Um ein CFD Problem behandeln zu können, ist es notwendig die Navier-Stokes Gleichungen zu lösen. Es gibt verschiedene kommerzielle CFD Software Pakete, wie z.B. FLUENT, mit dem alle numerischen Simulationen in dieser Diplomarbeit durchgeführt wurden.

Ziel des TUNICA Projektes ist die Untersuchung von Strömungsfeldern und Turbulenzgraden im Bereich von Mikrofonen, die wie in diesem Fall in Fahrzeugen zum Freisprechen verwendet werden. Diese Mikrofone sind an den üblichen Montagepunkten in Fahrzeugen allerdings oft der direkten Luftströmung der Klimaanlage ausgesetzt, was die Qualität der Sprachaufnahme mindert und eine störungsfreie Kommunikation verhindert. Daher ist es wichtig die Strömungsverhältnisse im Innenraum des Fahrzeugs für den Hersteller nachvollziehbar zu machen. Für die Analyse der Strömungsfelder kommt ein Testwindkanal zum Einsatz, wobei der Turbulenzgrad der Strömung durch den Einbau von Turbulenzgeneratoren im Windkanal gezielt erhöht wird.

Die Mikrofone können dann fortan unter definierten turbulenten Strömungsbedingungen untersucht werden, die den Bedingungen im Fahrzeug entsprechen.

Diese Diplomarbeit beschäftigt sich mit der Analyse der Turbulenzgrade und -spektren, die durch verschiedene Turbulenzgeneratoren in der Strömung erzeugt werden, mittels CFD Simulationen.

Die Geometrie- und Netzerstellung der verschiedenen Rechengeometrien erfolgte mit dem Softwaretool GAMBIT. Zuerst werden stationäre Simulationen für jeden Turbulenzgenerator durchgeführt, um das Verhalten der turbulenten Strömung zu untersuchen. Die Ergebnisse der Geschwindigkeitskomponenten und der turbulenten kinetischen Energie aus den CFD Simulationen können mit experimentellen Ergebnissen verglichen werden. Für eine quantitative Analyse der turbulenten Strömung werden zusätzlich instationäre Simulationen durchgeführt. Die Korrelation zwischen lokalen Geschwindigkeitsfluktuationen und Druckschwankungen in Nähe der Mikrofone ist dabei von Interesse, wobei ebenfalls für einen Vergleich experimentelle Ergebnisse zur Verfügung stehen. Von den stationären Simulationen lieferte das RNG k-[epsilon] Modell Ergebnisse, die am besten mit den experimentell ermittelten Werten übereinstimmen.

Stationäre Lösungen können jedoch nicht für jeden Turbulenzgenerator simuliert werden. Zusätzlich wurden instationäre Detached Eddy Simulationen (DES) durchgeführt. Aus der DES ergeben sich Frequenzspektren, die mit den Frequenzspektren aus dem Experiment verglichen wurden. Aus den simulierten Frequenzspektren lassen sich die Strömungs-charakteristiken, wie die Position der Scherschichten oder Strömungsablösung gut ablesen. Der Vergleich der Frequenzspektren aus der Simulation mit denen aus dem Experiment zeigt in wann CFD Simulationen effektiv sind und dass die simulierten Ergebnisse in etwa den experimentellen entsprechen.

Die CFD Simulationen wurden alle an einem Linux Cluster am Austrian Institute of Technology durchgeführt.

Diese Diplomarbeit wurde im Rahmen des TUNICA Projektes, unter Zusammenarbeit des Austrian Institute of Technology, einem industriellen Partner und der Technischen Universität Wien durchgeführt. Das TUNICA Projekt wurde als Bridge Projekt von der Österreichischen Forschungsförderungsgesellschaft gefördert. Die experimentellen und numerischen Ergebnisse wurden sowohl auf nationalen als auch internationalen Fachtagungen vorgestellt und präsentiert.

Zusammenfassung (Englisch)

Computational Fluid Dynamics (CFD) deals with the numerical analysis of flow phenomena. The Navier-Stokes equations, which govern the motion of a Newtonian viscous fluid, are the base of almost all CFD problems. The method of dealing with any fluid dynamics problem is to solve these equations for the appropriate boundary conditions. There are some software packages available that solve fluid flow problems, as for instance FLUENT that is used in this thesis.

The goal of this project is the investigation of flow fields and degrees of turbulence with regard to microphones which are used in cars for the purpose of hands free speaking systems. The fact that these microphones are usually positioned near the air condition outlet flow fields leads to decrease in the quality of voice recording. Hence there is a need for a better understanding of flow fields inside of vehicle interiors for the microphone producer. For the analysis of these fluid flows different setups of turbulence generators are positioned in the test wind tunnel in order to produce turbulence, so microphones can be tested under defined turbulence flow conditions which match the flow conditions in the vehicle interior.

This thesis deals with the numerical analysis of the different degrees and spectra of turbulence that are produced by different setups of turbulence generators located in the test wind tunnel. First, several steady CFD simulations are performed for each turbulence generator to investigate the characteristic of the fluid flow, and the numerically generated results for the velocity components and the turbulent kinetic energy are compared to experimental results. Unsteady CFD simulations for the quantitative analysis of the turbulent flow fields are then performed.

The correlations between local velocity fluctuations and pressure fluctuations near the microphones are investigated and compared to experimental results. Among steady CFD simulations the RNG k-[epsilon] model compared best to experimental data, however steady solutions cannot always be delivered, transient DES have been performed to provide frequency spectra which show that prominent features of the spatial frequency behavior are well captured. The position of the shear layers, the separation and the combination of the turbulent regions can be observed easily. The comparison of the experimentally and numerically generated frequency spectra offer the possibility to find out where CFD simulations are effective and it shows that the simulation gives results approximately equivalent to the experimental results.

For the geometry and mesh generation the software tool GAMBIT is used.

All CFD simulations have been performed on a Linux cluster at the Austrian Institute of Technology.

This thesis was undertaken within the 'TUNICA-Project', which is a collaboration of the Austrian Institute of Technology, an industrial partner and the Vienna University of Technology. This work was supported by the Austrian Research Promotion Agency (FFG). The experimental and numerical results of the TUNICA project have been presented at national as well as international conferences.