Turbulent boundary layer wall pressure fluctuations with and without pressure gradients

Abstract

Turbulent Boundary Layers (TBL) are a significant source of vibration and noise for different types of structures. These structures may be excited by pressure fluctuations due to the turbulent flow induced by their motions. To reduce the noise radiated from these structures is important to understand how the structure reacts to the TBL excitation. Therefore, it is necessary to study the TBL under different pressure conditions. TBL exhibit random-like fluid motion, so is convenient to describe it in terms of wall pressure spectrums.

The work performed during this internship at von Karman Institute for Fluid Dynamics (VKI), was integrated under the TUMULT project (TUrbulent flow noise Modelling for Under- and upper-body Load and Transmission analysis).

One of the objective of the internship was the investigation of the TBL under zero, favourable and adverse pressure gradients for two velocities, 15 and 25 m.s-1. For that purpose, experimental techniques, such as, hot wire anemometer and microphone antenna, were combined to generate a database allowing to validate and improve wall pressure models accounting for Reynolds number and pressure gradient effects. These experiments had taken place at the “wind tunnel for aeroacoustics boundary layer including pressure gradient effect” (WAABLIEF).

The characterization of the TBL was successfully accomplished using hot wire anemometer, and the wall pressure spectrums for each condition were calculated applying wall pressure models and using a microphone antenna for further validation. The models applied to characterize the wall pressure spectrums were Goody and Rozenberg models. An uncertainty analysis was also performed for hot wire anemometer.

The PIV technique was applied in the framework of this internship, besides the objectives of the TUMULT project. In order to get experience about the application of this technique, a parametric study was successfully accomplished to find out the best configuration for the PIV measurements for the research work of the PhD student Gian Luca Gori and the research master student Simão Nóbrega from VKI.

Finally, in this report it is also included a literature review about the urban atmospheric boundary layer. This section has the objective of demonstrate the type of application of the concepts and techniques learned during the internship to the field of environmental engineering.

A camada limite turbulenta (CLT) é uma significativa fonte de vibração e ruído em diferentes tipos de estruturas. Estas estruturas podem ser excitadas por flutuações de pressão, devido ao fluxo turbulento induzido pelo seu movimento. A fim de reduzir o ruído irradiado por estas estruturas, é importante entender como é que estas reagem à excitação da CLT. Assim, é necessário estudar esta camada sob diferentes condições de pressão. Uma vez que a CLT exibe movimentos de fluido aleatórios, é conveniente descrevê-la em termos de espectros de pressão.

O trabalho realizado durante o estágio no von Karman Institute for Fluid Dynamics (VKI), foi integrado no projeto TUMULT (TUrbulent flow noise Modelling for Under- and upper-body Load and Transmission analysis).

Um dos objetivos deste estágio, foi a investigação da CLT sob gradientes de pressão nulos, favoráveis e adversos, para duas velocidades de escoamento, 15 e 25 m.s-1. Neste sentido, as técnicas experimentais, anemómetro de fio quente e uma antena de microfones foram combinadas, para gerar uma base de dados com a finalidade de proceder à melhoria dos modelos de pressão aplicados a uma parede. Modelos estes que têm em consideração o efeito do número de Reynolds e os efeitos do gradiente de pressão. As técnicas experimentais utilizadas, foram aplicadas no túnel de vento denominado por WAABLIEF (“wind tunnel for aeroacoustics boundary layer including pressure gradient effect”), localizado nas instalações do VKI.

A caraterização da CLT utilizando o anemómetro de fio quente e a determinação dos espectros de pressão sobre uma parede para cada condição em estudo, com posterior validação, utilizando os resultados da antena de microfones, foram realizados com sucesso. Os modelos que foram aplicados para caraterizar os espectros de pressão sobre uma parede foram os modelos de Goody e de Rozenberg. Adicionalmente, também se realizou uma análise de incertezas para o anemómetro de fio quente.

Além dos objetivos diretamente relacionados com o projeto TUMULT, também foi aprendida a técnica experimental Velocimetria por Imagem de Partículas (PIV). Para obter experiência na aplicação desta técnica, foi realizado um estudo paramétrico. Este estudo permitiu determinar qual era a melhor combinação de parâmetros para realizar as medições com PIV. Esta combinação de parâmetros, serviu como suporte para o trabalho de investigação dos estudantes de doutoramento Gian Luca Gori e pós-graduação Simão Nóbrega, do VKI.

Finalmente, neste relatório também se inclui uma revisão bibliográfica sobre a camada limite atmosférica urbana. Esta secção tem como objetivo demonstrar a aplicação que pode ser dada aos conceitos e técnicas aprendidas durante o estágio, ao curso de Engenharia do Ambiente.