Aeroacoustic Noise Prediction of Automotive HVAC Systems

Deutsch. Mit zunehmendem Einsatz von Elektromotoren im Automobilbau sowie durch Maßnahmen zur Geräuschreduktion im herkömmlichen Antriebsstrang hat das Interesse am Klangdesign von PKW Klimatisierungsgeräten zugenommen. Dieser Aspekt wird bisher jedoch nicht im computergestützten Entwicklungsprozess berücksichtigt. Hierzu sind verlässliche Methoden zur Schallvorhersage von Klimatisierungsgeräten und deren Komponenten notwendig. Zu diesem Zweck wurde in dieser Arbeit ein hybrider Simulationsansatz vorgeschlagen und getestet: Im ersten Schritt wurde das instationäre Strömungsfeld berechnet. In einem Zwischenschritt wurden die strömungsinduzierten Schallquellen bestimmt und zum Schluss die akustische Schallausbreitung simuliert. Die Kopplungsstrategie bzw. Quelltermberechnung zwischen beiden Simulationsschritten ist entscheidend um exzellente Ergebnisse zu erhalten. Dazu wurden zwei aeroakustische Ansätze verfolgt. Der erste Ansatz war die Analogie von Lighthill, die zu Schallspektren in guter Übereinstimmung mit den Experimenten führte. Dabei haben sich die komplexe Implementierung der korrekten Randbedingungen und die fehlende Trennung von Strömung und Akustik als nachteilig erwiesen. Dieses Verhalten konnte bei Anwendung von akustischen Störungsgleichungen (APE) nicht festgestellt werden, was am Beispiel der gestörten konvektiven Wellengleichung (PCWE) gezeigt wurde. Diese Vorgehensweise ermöglicht einen Einblick in das reine akustische Quell- und Ausbreitungsfeld. Nachteilig erwies sich hier jedoch das ausgeprägtere numerische Rauschen sowie die Sensitivität bzgl. abgeschnittenen Quellregionen. Auf Basis dieser Erkenntnisse konnte gezeigt werden, wie die Schallspektren im Fernfeld eines vereinfachten Ausströmers, eines realen PKW-Ausströmers, einer Klimageräteeinheit, eines Radialgebläses und schließlich einer Gesamtklimaanlage erfolgreich vorhergesagt werden können. Die Ergebnisse dieser Arbeit demonstrieren die Anwendbarkeit hybrider Ansätze für die Vorhersage von Strömungsschall in PKW-Klimaanlagen. Darüber hinaus werden Details bezüglich ihres korrekten Einsatzes erläutert, wodurch die Fehlerdiagnose von aeroakustischen Simulationen auch in anderen Anwendungsfeldern vereinfacht wird. Die Erkenntnisse dieser Arbeit bieten die Entwicklungsgrundlage für das computergestützte Klangdesign von Klimaanlagen und ebnen den Weg für ihre praktische Anwendung. Englisch. Due to the electrification of cars and the reduction of noise generated by the powertrain, the automotive industry has gained growing interest for computer-based acoustic design of HVAC systems. In order to implement tools for virtual noise reduction, it is necessary to develop simulation procedures that are able to reliably predict the aeroacoustic noise of HVAC systems and their components. For this purpose, a hybrid simulation technique was proposed and tested in this work: First of all, the non-stationary flow was computed by use of a common finite volume solver; subsequently, the aeroacoustic sources were evaluated; finally, the sound radiation was simulated by a finite element code. The coupling procedure between these simulation steps is a crucial task to achieve excellent results, for which two aeroacoustic approaches were tested. Applying Lighthill's analogy was able to yield spectra in good agreement with experiments. However, the effort required for the implementation and acoustic simulation was high, while the possibilities for source analysis were limited. These problems did not occur when the acoustic perturbation equations (APE) in form of the perturbed convective wave equation (PCWE) were used. This approach provides insight into the pure sound source and propagation fields. However, it was found to be more sensitive regarding numerical noise and the truncation of sources. Based on these findings, this work revealed how the proposed procedure can be used to successfully predict the far-field noise spectra of a generic air outlet, a real air outlet of a car, an HVAC unit, a centrifugal fan, and eventually a complete HVAC system. Therefore, this work demonstrated the applicability of hybrid approaches for the prediction of HVAC noise. Furthermore, details on their correct usage are provided to enable the error diagnostics of aeroacoustic simulations also in other fields of application. These findings offer the basis for the development of computer-based acoustic design tools for HVAC systems and thus pave the way for further improvements regarding practical usage.