Das Geräusch von Ventilatoren, Propellern und Rotoren ist kein einzelnes Phänomen; mindestens zwei Mechanismen wirken zusammen, und sie zu verwechseln führt dazu, an der falschen Stelle einzugreifen.
Das tonale Geräusch
Scharfe Spitzen bei der Schaufelpassierfrequenz und ihren Harmonischen. Die Quelle ist, dass die Druckverteilung der Schaufel einem Beobachter periodisch ausgesetzt wird. Eine ungleichförmige Zuströmung verstärkt es: Die Schaufel wird bei jeder Umdrehung anders belastet.
Wege, es zu mindern:
- Die Zuströmung gleichrichten. Ein Krümmer oder ein Hindernis vor dem Ventilator ist die häufigste Ursache einer tonalen Komponente. Siehe die Notiz zur Sekundärströmung.
- Den Abstand zwischen Rotor und Stator vergrößern.
- Schaufel- und Leitschaufelzahlen ohne gemeinsamen Teiler wählen — sonst überlagern sich die Wechselwirkungen gleichphasig.
- Die Schaufeln sicheln, um den Vorbeigang zeitlich zu verteilen.
Das Breitbandgeräusch
Eine über die Frequenzachse verteilte Komponente ohne Spitzen. Ihre Quelle ist die Turbulenz: Schwankungen in der Zuströmung, die Grenzschicht auf der Schaufel und die an der Hinterkante abgelösten Wirbel.
Wege, es zu mindern, sind eine geringere Umfangsgeschwindigkeit an der Schaufelspitze (am wirksamsten, senkt aber auch die Leistung), Hinterkantenzacken und ein kleinerer Spalt an der Schaufelspitze. Der Spaltwirbel ist eine gemeinsame Quelle von Geräusch und Wirkungsgradverlust.
Modellierung
Die tonale Komponente lässt sich aus der instationären Druckschwankung auf der Schaufel berechnen, die eine Lösung mit gleitendem Netz liefert. Siehe die Notiz zu Strömungsmaschinen.
Die Breitbandkomponente erfordert, die Turbulenz selbst aufzulösen; RANS kann sie nicht erzeugen. Siehe die Notiz zu RANS/DES/LES.
In der Praxis zielen die meisten industriellen Untersuchungen nicht auf einen absoluten Schallpegel; sie finden die Quellen und verbessern vergleichend. Siehe die Notiz zum Kanalgeräusch.
Referenzen
- 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.
- International Towing Tank Conference. ITTC Recommended Procedures and Guidelines 7.5-03-02-03: Practical Guidelines for Ship CFD Applications. ITTC.