< Terug naar vorige pagina

Project

Onderzoek naar geluid van geleide ventilatoren: van datagestuurde modellering van wanddrukspectra tot de effecten van vervormde instromen

De akoestische emissie van ventilatorsystemen met kleine kanalen in verwarmings-, ventilatie- en airconditioningtoepassingen is een groeiend probleem vanwege de steeds strengere regelgeving en de groeiende belangstelling van klanten voor stillere omgevingen. Dit onderzoek richt zich op de geluidsemissie van kleine axiaal- en centrifugaalventilatoren in deze producten.
Het geluid dat wordt gegenereerd door een axiale ventilator voor matige instroomturbulentie en bij hoge frequenties wordt veroorzaakt door de interactie van de turbulente grenslaag met de scherpe achterrand van het vleugelprofiel, wat de juiste benadering van de wanddrukfluctuatie vereist. Bestaande spectrale modellen voor wanddruk zijn echter alleen geldig gebleken binnen specifieke bereiken van de drukgradiënt en stromingsomstandigheden. Bovendien varieert hun formulering sterk, afhankelijk van de gegevens waarop de modellen zijn gebaseerd. Om te profiteren van het toenemende aantal experimentele en numerieke datasets die beschikbaar zijn in de literatuur, stellen we voor om machine learning te gebruiken om nieuwe modellen van wanddrukspectra te onderzoeken die gegevens van verschillende oorsprong combineren. We zijn begonnen met het gebruik van de symbolische regressiemethode genaamd Gene Expression Programming (GEP). Deze methode is nuttig bij het bieden van begrijpelijke analytische expressie van complexe datasets. Hun toepassing voor het modelleren van wanddrukspectra vereiste echter verschillende aanpassingen die tijdens dit onderzoek werden doorgevoerd. Ondanks deze verbeteringen blijft GEP moeilijk te convergeren wanneer de te verkennen parameterruimte groot wordt. Daarom worden kunstmatige neurale netwerken (ANN's) als alternatief beschouwd. ANN's zijn eenvoudig te ontwikkelen, goed schaalbaar voor grote datasets en passen uitstekend bij de data. Ze hebben echter de neiging om te overfitten en hebben grote onzekerheden buiten hun trainingsbereik. Ondanks hun respectievelijke beperkingen waren zowel de GEP als de ANN's in staat om nieuwe spectrale modellen voor wanddruk voor te stellen die gegevens van verschillende oorsprong en stromingsomstandigheden bevatten.
Vanwege hun compacte ontwerp wordt het geluid van de centrifugaalventilator gedomineerd door het complexe stromingspatroon in de behuizing, en de exacte aerodynamische ruisgenererende mechanismen moeten nog worden opgehelderd. Verschillende concurrerende mechanismen voor het genereren van geluid dragen bij aan de onstabiele bladbelasting, waarvan de modellering van cruciaal belang is voor voorspellingen van het geluid van centrifugale ventilatoren. We stellen voor om schaal-opgeloste numerieke simulaties te gebruiken om de stromings-topologie binnen de ventilator en de concurrerende geluidsmechanismen beter te begrijpen. We hebben sterke correlaties waargenomen tussen de bladbelasting en de experimentele akoestische metingen.
Ten slotte wordt de akoestische prestatie van luchtverplaatsende ventilatoren traditioneel gekenmerkt door een geïdealiseerde instroom. Vanwege compactheidsvereisten en andere installatiebeperkingen wordt echter zelden aan deze voorwaarden voldaan als de ventilator eenmaal in het eindproduct is geïnstalleerd. Die installatie-effecten worden onvoldoende begrepen, al kunnen ze de geluidskwaliteit van bepaalde ventilatorimplementaties echt aantasten. Het is noodzakelijk om de belangrijkste fysieke mechanismen te begrijpen die betrokken zijn bij het aanpakken van deze integratieproblemen. Een methodologie die experimentele en numerieke activiteiten combineert, is geïmplementeerd om de effecten van ventilatorinstallaties aan te pakken. Aan de experimentele kant is een akoestische testfaciliteit met meerdere poorten verder ontwikkeld en aangepast om zowel axiale als centrifugale ventilatoren te huisvesten. Er zijn enkele problemen opgetreden met betrekking tot de toepassing van de methode met meerdere poorten op een ventilator in een kanaal met een kleinere diameter, aangezien de verkleining van het diametergedeelte de inschakelfrequenties verandert van de module waarin de ventilator is geïnstalleerd. Dit verhindert nauwkeurige metingen van de reflectiecoëfficiënten van de kanaalafsluitingen. De impact van installatie-effecten is onderzocht met behulp van vervormingsroosters stroomopwaarts van de ventilator. De monitoring van de akoestische emissie en aerodynamische prestaties van de axiale en centrifugale ventilator toonde aan dat installatie-effecten zowel het ventilatorgeluid als de bedrijfsomstandigheden sterk beïnvloeden. Met behulp van gelijkeniswetten hebben we aangetoond dat de impact van aerodynamische prestatieveranderingen alleen onvoldoende is om de totale impact van vervormde instromen op het akoestische vermogen van de ventilator te verklaren. Over het algemeen verhoogde de turbulentie van de instroom de breedbandruis van de ventilator en verminderde de niet-uniforme instroom de tonale ruis van de ventilator. De impact van installatie-effecten hangt echter sterk af van het ontwerp en de architectuur van de ventilator. Daarom is het moeilijk om algemene schaalregels te ontwerpen. Wat de numerieke kant betreft, is er ook voor gekozen om de schaalopgeloste simulaties van de centrifugale ventilatoreenheid uit te voeren die is onderworpen aan een uniforme en verstoorde instroom om de impact van de installatie-effecten beter te begrijpen. Onder vervormde instroom was de periodieke bladbelasting veroorzaakt door de passage van het blad voor de slakkenhuistong aanzienlijk verminderd. Daarentegen werden de willekeurige schommelingen van de bladkracht vergroot. Dit verklaart zowel de afname in tonale ruis als de toegenomen breedbandruisniveaus die experimenteel zijn waargenomen.

Datum:26 feb 2019 →  6 jun 2023
Trefwoorden:Aero-acoustics, Tangential fan, Multi-ports eduction
Disciplines:Akoestiek, geluid en trillingsgerelateerde ingenieurskunde
Project type:PhD project