In Lüftungsanlagen haben Geräuschbeschwerden und hoher Druckverlust meist dieselben Ursprungsorte: scharfe Umlenkungen, abrupte Querschnittsverengungen, teilweise geschlossene Klappen, schlecht platzierte Ventilatoren.
Die Ursache ist gemeinsam. Wo die Strömung ablöst und Schwankungen erzeugt, wird mechanische Energie in Wärme umgewandelt (Druckverlust) und Druckschwankungen strahlen ab (Geräusch).
Zwei Quellenarten
Ventilatorgeräusch. Eine tonale Komponente bei der Schaufelpassierfrequenz und eine breitbandige Komponente. Bestimmt durch Schaufelzahl und Drehzahl; der Spalt zwischen Spiralzunge und Schaufel wirkt sich unmittelbar auf die tonale Komponente aus. Siehe die Notiz zu Strömungsmaschinen.
Strömungsgeräusch. Aus der Turbulenz an Klappen, Gittern, Krümmern und Verengungen. Es hängt sehr stark von der Geschwindigkeit ab — den Kanalquerschnitt zu vergrößern senkt die Geschwindigkeit und mindert das Geräusch deutlich.
Schalldämpfer sind nicht umsonst
Ein Schalldämpfer wirkt, indem er den Querschnitt verengt und Oberfläche hinzufügt, erzeugt also Druckverlust. Zwingt dieser zusätzliche Verlust den Ventilator zu höherer Drehzahl, steigt das Ventilatorgeräusch und ein Teil des Gewinns wird zurückgegeben. Die Auslegung eines Schalldämpfers ist deshalb ebenso sehr eine Strömungs- wie eine Akustikrechnung.
Der Modellierungsansatz
Das Geräusch unmittelbar zu lösen — also die Druckwellen zu berechnen, die die Strömung erzeugt — ist teuer und erfordert einen skalenauflösenden Ansatz.
In der industriellen Praxis genügt meist das Auffinden der Quellen: Bereiche hoher turbulenter kinetischer Energie und Geschwindigkeitsschwankung sind die Geräuschquellen. Das lässt sich aus einer günstigen RANS-Lösung ablesen und reicht aus, um die geometrische Verbesserung zu steuern.
Wird ein absoluter Schallpegel verlangt, sind Messung oder eine detaillierte akustische Analyse nötig; die vergleichende Stärke von CFD übertrifft bei diesem Thema ihre absolute Stärke.
Referenzen
- ANSI/AMCA Standard 210 / ANSI/ASHRAE Standard 51 — Laboratory Methods of Testing Fans for Certified Aerodynamic Performance Rating. AMCA International / ASHRAE.
- Spalart, P. R., Jou, W.-H., Strelets, M. & Allmaras, S. R. (1997). Comments on the feasibility of LES for wings, and on a hybrid RANS/LES approach. In Advances in DNS/LES, Greyden Press, Columbus, OH.