Entwicklung und Verifikation virtueller Methoden zur Bewertung des Mündungsgeräusches von Fahrzeugabgasanlagen

Die simulative Prognose des Mündungsgeräusches von Fahrzeugabgasanlagen stellt ein essentielles Auslegungswerkzeug dar, um den vielseitigen akustischen Anforderungen in der modernen Fahrzeugakustikentwicklung gerecht zu werden. Ein hierfür etablierter methodischer Ansatz ist die eindimensionale nichtlineare Gasdynamiksimulation im Zeitbereich. Während mit dieser Methode schnelle Simulationen bei geringem Rechenaufwand möglich sind, gehen damit aufgrund der implizierten eingeschränkten eindimensionalen Abbildung der Strömungsvorgänge ebenfalls verschiedene Restriktionen im Prognoseumfang einher. Aufgrund der kontinuierlich steigenden akustischen Anforderungen, sowohl aus Kundensicht als psychoakustischer Qualitätsaspekt als auch hinsichtlich gesetzlicher Vorschriften, ist für die zukünftige adäquate und zielgerichtete Entwicklung des Mündungsgeräusches eine deutliche Erweiterung des numerischen Prognoseumfanges notwendig. Für die vollständige Abbildung der akustischen Quellmechanismen ist es erforderlich, die Strömungsvorgänge vollumfänglich im dreidimensionalen Kontext, einschließlich derer Turbulenzinformationen, abzubilden und daraus die akustischen Quellen sowie deren Ausbreitung abzuleiten. In der vorliegenden Arbeit wird dieser zusammenhängende Themenkomplex mittels systematischer experimenteller Analysen der grundlegenden Strömungs- und Akustikmechanismen erschlossen und mit darauf aufbauenden numerischen Untersuchungen schrittweise zu einer geeigneten dreidimensionalen Prognosemethode geführt. Für die differenzierte Untersuchung der überlagerten strömungsakustischen Einzelmechanismen, die dem Entstehungsprozess des Mündungsgeräusches zugrunde liegen, wurde eine geometrische und physikalische Abstrahierung vorgenommen. Dabei wurden drei generische Untersuchungsmodelle definiert: ein gerades Rohr und zwei zylindrische Expansionskammern, die sich im Durchmesser unterscheiden. Die Modelle wurden mit zwei separierten physikalischen Eingangsrandbedingungen in Form eines stationären Massenstroms bei unterschiedlichen Machzahlen und eines pulsierenden Massenstroms bei verschiedenen Motordrehzahlen beaufschlagt. Dadurch wurde die Analyse der distinktiven akustischen Entstehungsmechanismen sowie eine schrittweise Evaluierung einer geeigneten numerischen Prognosemethode ermöglicht. Im Experiment wurden sowohl die transienten turbulenten Strömungsfelder im Freistrahl stromabwärts der Modellmündungen als auch die von dort emittierten Akustikfelder erfasst. Zur numerischen Abbildung wurden Strömungssimulationen mit hybriden DES- und LES-Turbulenzformulierungen unter Verwendung unterschiedlicher numerischer Konfigurationen durchgeführt und zur Berechnung des akustischen Signals mit der Ffowcs Williams und Hawkings Methode gekoppelt.Anhand der experimentellen Daten zum geraden Rohr bei stationärem Massenstrom konnte gezeigt werden, dass die in der Freistrahlakustik etablierten Ähnlichkeitsspektren auch für Freistrahlen im niedrigen subsonischen Bereich basierend auf einer voll turbulenten Rohrströmung Validität besitzen. Allerdings war bei jedem Abstrahlwinkel stets eine Superpositionierung der beiden Ähnlichkeitsspektren und damit der beiden selbstähnlichen turbulenten Quellmechanismen zur Approximation der gemessenen Frequenzspektren erforderlich. Dies steht im Kontrast zu den Literaturergebnissen und konnte als Eigenschaft der in dieser Arbeit untersuchten kleinen Machzahlen identifiziert werden. Mit den dazugehörigen Simulationen konnte gezeigt werden, dass das DES-Modell in Standard-Konfiguration nicht zur Abbildung eines auf einer voll turbulenten Rohrströmung basierenden Freistrahls geeignet ist. Aufgrund einer räumlichen Verzögerung in der Entstehung aufgelöster turbulenter Fluktuationen stromabwärts der Modellmündung entstand ein Verhalten mit ähnlichen Charakteristika einer laminar-turbulenten Transition. Durch stark ausgeprägte räumlich kohärente Wirbelstrukturen führte dies zu akustischen Überhöhungen bei tiefen und