Compressible CFD simulations of aeroacoustics for automotive applications

Dawi, Ali

In this work, a direct noise computation method based on a low-Mach number flow solver is investigated. The new solver is implemented in the finite volume framework of the software OpenFOAM, accompanied with a new acoustic damping model for reducing spurious noise. The new solver is utilised to calculate noise generation and propagation for automotive applications. In order to validate the applicability of the low-Mach flow solver, a benchmark consisting of two-struts is calculated. The simulated aerodynamic near field as well as aeroacoustic far field are compared to wind tunnel measurements. The acoustic far field is computed using the direct method as well as a hybrid method. Both methods are evaluated based on comparing far field spectra and directivity patterns with experimental results. After validating the applicability of the low-Mach number solver, the topic of spurious noise generation in direct noise computation is addressed. Different spurious noise sources are presented and their generation mechanisms are investigated. Afterwards, two different strategies for spurious noise reduction, namely selective acoustic damping and numerical grid stretching, are discussed and validated. The acoustic damping model can substantially damp out spurious noise generated at grid interfaces without affecting the turbulence. It is also observed that the direction of grid refinement determines the direction of propagation of spurious noise. The strategies for spurious noise reduction are then applied on a side-mirror test case. For this, a new algorithm for automated and directional grid stretching is implemented. Spurious noise generation in the vicinity of the mirror’s surface as well as in the mirror’s wake could be substantially reduced and a quantitative analysis based on frequency-wavenumber spectra in the wake of the mirror is performed. Finally, the proposed flow solver, along with the strategies for spurious noise reduction, is used to directly compute noise generation on a generic vehicle model. Two different variants are calculated and the effect of the A-pillar and the side-mirror regarding their contribution to the acoustic waves on the side-window is investigated. Aerodynamic as well as aero- and vibroacoustic spectra on the side-window are calculated and compared to wind-tunnel measurements. For both variants, the results calculated using the direct method show good agreement with experimental data.

In dieser Arbeit wird eine Methode zur direkten Berechnung von Aeroakustik basierend auf einen Strömungslöser für kleine Mach-Zahlen untersucht. Der Strömungslöser wird mit einem neuen Dämpfungsmodell für die Reduktion numerischer Schallwellen im finite Volumen Code OpenFOAM implementiert, und für die Berechnung der Entstehung und Ausbreitung von Schallwellen im Automobilbereich angewandt. Zur Validierung des neuen Strömungslösers, wird ein Benchmark, der aus zwei parallelen Streben besteht, berechnet. Das simulierte aerodynamische Nahfeld sowie das aeroakustische Fernfeld werden mit Windkanalmessungen verglichen. Das akustische Fernfeld wird mit der direkten sowie mit einer hybriden Methode berechnet. Beide Methoden werden anhand der Fernfeldspektren sowie der Richtcharakteristiken mit experimentellen Daten bewertet. Nach der Validierung des Strömungslösers wird die Entstehung von numerischen Störungen in der direkten Methode analysiert. Es werden verschiedene Quellen numerischer Störungen sowie deren Entstehungsmechanismen dargestellt. Anschließend werden zwei verschiedene Strategien zur Reduktion von Störungen diskutiert und validiert. Das Dämpfungsmodell zeigt sein Potenzial bei der Reduktion von numerischen Schallwellen ohne Beeinflussung der Turbulenz. Es wird außerdem gezeigt, dass die Richtung einer Verfeinerung des numerischen Gitters die Richtung der Ausbreitung numerischer Schallwellen bestimmt. Die Strategien zur Reduktion numerischer Störungen werden weiterhin an einem einzelnen Seitenspiegel angewandt. Dafür wird ein neuer Algorithmus für eine automatisierte und richtungsdefinierte Gitterexpansion implementiert. Die Amplitude numerischer Störungen, die im Spiegelnachlauf entstehen, werden mit Hilfe einer Frequenz-Wellenzahl Analyse quantitativ untersucht. Es zeigt sich, dass das Dämpfungsmodell diese Störungen deutlich reduziert. Abschließend wird der Strömungslöser zusammen mit den vorgeschlagenen Strategien in einer direkten Aeroakustikberechnung eines generischen Fahrzeugmodells angewandt. Es werden zwei unterschiedliche Varianten berechnet und der Einfluss der A-Säule und des Seitenspiegels bezüglich ihres akustischen Beitrags auf der Seitenscheibe untersucht. Sowohl aerodynamische als auch aero- und vibroakustische Spektren werden auf der Seitenscheibe berechnet und mit Windkanalmessungen verglichen. Für beide Varianten zeigen die Ergebnisse der direkten Methode gute Übereinstimmung mit den experimentellen Daten.

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Dawi, Ali: Compressible CFD simulations of aeroacoustics for automotive applications. 2019.

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