Entwicklung und Verifikation virtueller Methoden zur Bewertung des Mündungsgeräusches von Fahrzeugabgasanlagen

Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
Issue Year
Hillenbrand, Jan
FAU University Press

The simulative prediction of the tailpipe noise of automotive exhaust systems is an essential design tool to meet the manifold acoustic requirements in modern automotive acoustics development. A well-established methodological approach for this purpose is the one-dimensional nonlinear gas dynamics simulation in the time domain. While this method allows for fast simulations with low computational effort, due to the implied limited one-dimensional modelling of the flow processes, various restrictions in the prediction scope are also associated with it. Due to the continuously increasing acoustic requirements, both from the customer’s point of view as a psychoacoustic quality aspect as well as with regard to legal regulations, a considerable extension of the numerical prediction range is necessary for the future adequate and targeted development of the tailpipe noise. For the complete capture of the acoustic source mechanisms it is necessary to model the flow processes entirely in a three-dimensional context, including their turbulence information, and to derive the acoustic sources and their propagation out of the transient flow data. In the present work, this contiguous topic complex is elaborated by means of systematic experimental analyses of the fundamental flow and acoustic mechanisms and, with numerical investigations based on this, is gradually led to a suitable three-dimensional prediction method. For the differentiated investigation of the superimposed individual aeroacoustic mechanisms, which are underlying the formation process of the tailpipe noise, a geometrical and physical abstraction was carried out. Thereby three generic study models were defined: a straight pipe and two cylindrical expansion chambers, which differ in diameter. The models were impinged with two separate physical inlet boundary conditions in the form of a steady-state mass flow at different Mach numbers and a pulsating mass flow at different engine speeds. Thereby the analysis of the distinctive acoustic formation mechanisms as well as a gradually evaluation of a suitable numerical prediction method was enabled. In the experiment both the transient turbulent flow fields in the free jet downstream of the model orifices and the acoustics fields emitted from there were detected. For numerical modelling, flow simulations with hybrid DES and LES turbulence formulations were carried out using different numerical configurations and coupled with the Ffowcs Williams and Hawkings method to compute the acoustic signal. On the basis of the experimental data of the straight pipe at steady-state mass flow it could be shown that the well-established similarity spectra of free jet acoustics also have validity for free jets in the low subsonic range based on a fully turbulent pipe flow. However, at each radiation angle a superpositioning of the two similarity spectra and thus of the two self-similar turbulent source mechanisms for approximation of the measured frequency spectra was always required. This contrasts with the literature results and could be identified as a property of the small Mach numbers examined in this work. With the associated simulations it could be shown that the DES model in standard configuration is not suitable for modelling a free jet based on a fully turbulent pipe flow. Due to a spatial delay in the formation of resolved turbulent fluctuations downstream of the model orifice, a behavior with similar characteristics of a laminar-turbulent transition resulted. Owing to strongly pronounced spatially coherent vortex structures, this led to acoustic superelevations at low and medium frequencies of up to +12 dB/Hz. This effect could be avoided by a numerical configuration in the form of an artificial reduction of the eddy viscosity in the free jet, whereby the acoustic superelevations were reduced by up to 9.8 dB/Hz. Further configurations showed that the shape of the radial turbulent flow profile at the orifice as well as the resolution of turbulent fluctuations in the boundary layer upstream of the orifice are decisive parameters for the correct acoustic prediction in medium and high frequency ranges. Finally, the overall most suitable method was the scale-resolving simulation of the internal pipe flow using WMLES and synthetic inlet turbulence. The complementary experimental studies on the models of the expansion chambers showed that despite identical inlet boundary conditions, considerable increased sound pressure levels occur in the tailpipe noise compared to the straight pipe. These could be attributed to tonal components conditioned by excited system resonances as well as to increased broadband proportions caused by raised turbulence levels. Thereby both effects showed a dependence on the chamber diameter. With the transfer of the WMLES method from the straight pipe to the large expansion chamber very good results were achieved both in the turbulent flow field as well as in the form of considerable increased acoustic excitation and its tonality. This verified the good predictive quality of this approach even for more complex geometries. With the second physical inlet boundary conditions in the form of the pulsating mass flow, the experimental results showed a strongly tonal pronounced tailpipe noise. Despite the lower mean Mach number, this showed a significant increase in the sound pressure levels compared to the steady-state mass flow and thus illustrated the considerable increased efficiency of a pulsating mass flow as an acoustic source mechanism that acts as a monopole source. In addition it could be shown that with increasing engine speed a redistribution of the acoustic excitation from main to secondary orders is accompanied, which could be attributed to a change in the frequency distribution of the flow-sided excitation energy. The simulation methodology of the WMLES model, verified in globally stationary boundary conditions, also yielded very good results at pulsating mass flow both in terms of increased sound level and in respect of tonality. Furthermore, the overall sound pressure levels had a very good or even an exact match with the experimental data. Overall, this numerical approach can therefore be stated as a suitable method for modelling all the basic aeroacoustic mechanisms of the tailpipe noise of automotive exhaust systems.


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 mittleren Frequenzen von bis zu +12 dB/Hz. Dieser Effekt konnte durch eine numerische Konfiguration in Form einer künstlichen Reduzierung der Wirbelviskosität im Freistrahl vermieden werden, wodurch die akustischen Überhöhungen um bis zu 9.8 dB/Hz verringert wurden. Weitere Konfigurationen zeigten, dass die Form des radialen turbulenten Strömungsprofils an der Mündung sowie die Auflösung turbulenter Fluktuationen in der Grenzschicht stromaufwärts der Mündung maßgebliche Parameter für die korrekte akustische Prädiktion in mittleren und hohen Frequenzbereichen sind. Als übergreifend geeignetste Methode ließ sich schließlich die skalenauflösende Simulation der innenliegenden Rohrströmung mittels WMLES und synthetischer Eingangsturbulenz festhalten. Die komplementären experimentellen Untersuchungen an den Modellen der Expansionskammern zeigten, dass trotz identischer Eingangsrandbedingungen deutlich erhöhte Schalldruckpegel im Mündungsgeräusch gegenüber dem geraden Rohr entstehen. Diese ließen sich auf tonale Komponenten, bedingt durch angeregte Systemresonanzen, sowie auf erhöhte breitbandige Anteile, hervorgerufen durch gesteigerte Turbulenzgrade, zurückführen. Beide Effekte zeigten dabei eine Abhängigkeit vom Kammerdurchmesser. Mit dem Übertrag der WMLES-Methode vom geraden Rohr auf die große Expansionskammer wurden sowohl im turbulenten Strömungsfeld als auch in Form der deutlich erhöhten akustischen Anregung sowie in derer Tonalität sehr gute Ergebnisse erzielt. Dies bestätigte die gute Prognosegüte dieses Ansatzes auch für komplexere Geometrien. Bei den zweiten physikalischen Eingangsrandbedingungen in Form des pulsierenden Massenstroms zeigten die experimentellen Ergebnisse ein stark tonal geprägtes Mündungsgeräusch. Dieses wies trotz niedrigerer mittlerer Machzahl eine erhebliche Erhöhung der Schalldruckpegel gegenüber dem stationären Massenstrom auf und verdeutlichte dadurch die signifikant erhöhte Effizienz eines pulsierenden Massenstroms als akustischer Quellmechanismus, der als Monopolquelle agiert. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass mit steigender Motordrehzahl eine Umverteilung der akustischen Anregung von Haupt- zu Nebenordnungen einhergeht, was auf eine Änderung der frequenziellen Aufteilung der strömungsseitigen Anregungsenergie zurückzuführen war. Die bei global stationären Randbedingungen verifizierte Simulationsmethodik des WMLES-Modells ergab auch bei pulsierendem Massenstrom sowohl hinsichtlich des erhöhten Schallpegelniveaus als auch in Bezug auf die Tonalität sehr gute Ergebnisse. Ferner stimmten die Gesamtschalldruckpegel sehr gut bis exakt mit den experimentellen Daten überein. Insgesamt ist dieser numerische Ansatz somit als geeignete Methode zur Abbildung aller grundlegenden strömungsakustischen Mechanismen des Mündungsgeräusches von Fahrzeugabgasanlagen festzuhalten.

Parallel erschienen als Druckausgabe bei FAU University Press, ISBN: 978-3-96147-587-2
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