Aeroacoustic Noise Prediction of Automotive HVAC Systems

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.