Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Methods and techniques for precise and accurate in-duct aero-acoustic measurements: Application to the area expansion
KTH, School of Engineering Sciences (SCI), Aeronautical and Vehicle Engineering, MWL Flow acoustics.ORCID iD: 0000-0001-8099-6554
2015 (English)Licentiate thesis, monograph (Other academic)
Abstract [en]

During the design and commissioning of combustion equipment, combustion associated instabilities are commonly encountered. These thermo-acoustic instabilities can cause undesirable noise, vibrations, local thermal and mechanical stresses in the combustor and are prominent in lean combustion. An often used mathematical tool to predict the instability in combustors is the so called network model where the system under study is subdivided in several subsystems and the acoustic state variables are regarded as the input/output of these subsystems. Solving this system of equations gives rise to the complex Eigen-frequencies of the system which tell if the complete system will have an unstable/stable response for specific operating conditions. In such a model it is critical to know what the influence of each subpart is on the acoustic wave propagation to correctly predict the unstable frequencies of the system. The area expansion is a common element found in combustors and the acoustic properties of the area expansion under quiescent conditions are well known, however in the presence of flow, acoustic flow interactions may occur. These interactions change the acoustic properties and are challenging to model and accurate experimental data is needed to validate the modelling. In this study, measurements of the aero-acoustic properties of an area expansion are presented, however the focus is on the experimental techniques and methods used to obtain accurate and precise measurement data in the plane wave frequency regime. The measurement accuracy of the setup used to determine the passive aero-acoustic properties of the area expansion is assessed by measuring a known impedance. Several sources of errors are identified and methods to account for these error sources are given. It is shown that the microphone impedance affects the measurement results and the upper limit of the measurement accuracy for quiescent measurements is governed by this error. The measurement precision of the setup is assessed using a multi-variate analysis and compared with results obtained from a Monte-Carlo simulation. Also the problem to determine the uncertainty of the measured complex pressures receives attention. Using a framework based on the Hilbert-transform, expressions are derived which estimate the uncertainty on the measured complex value from the background signal spectrum. The obtained knowledge is used to determine the scattering matrix of the area expansion. For the quiescent case, the measured results agree within 1.5% of the absolute values and within 1 degree in comparison with the analytical models. In the case with flow, the errors are slightly larger due to the increased flow-noise but a good correspondence with analytical models is found. Also a sudden sound absorption at high flow speeds and low frequencies is observed.

Abstract [sv]

Vid konstruktion och användning av förbränningsutrustning observeras ofta instabiliteter i förbränningsprocessen. Dessa så kallade termo-akustiska instabiliteter kan orsaka buller och vibrationer samt lokala termiska och mekaniska belastningar i förbränningskammaren och de uppstår ofta vid mager förbränningen. Nätverksmodeller används ofta att förutsäga när instabiliteter uppträder och i dessa modeller är hela systemet indelat i olika delsystem och de akustiska ljudfältsstorheterna används som ingående och utgående parametrar. Löser man hela modellen, så får man de komplexa egenfrekvenser som ger information om när systemet är instabilt för vissa operativa förhållanden. I de här modellerna är det kritiskt att veta hur varje delsystem påverkar det akustiska ljudfältet om man vill få korrekta förutsägelser av de frekvenser där systemet kommer att vara instabilt. Ett areasprång är ett element som man ofta hittar i förbrännings-utrustning. Dess akustiska egenskaper är välkända utan strömning, men med strömning kan växelverkan mellan strömning och akustisk tillkomma och påverka de akustiska egenskaperna. Denna inverkan är komplex att modellera och det finns behov av noggranna mätdata för att validera sådana modeller. Denna avhandling presenterar experimentellt bestämda akustiska egenskaper för ett areasprång, men fokus är på förbättringar av de experimentella tekniker och metoder som används för att få precisa och noggranna mätdata för akustiska delelement i planvågsområdet. Den experimentella noggrannheten hos mätuppställningen bedöms genom att mäta upp en bekant impedans. Flera felkällor identifieras och metoder att utvärdera felen presenteras. Dessutom visar det sig att mikrofonimpedansen påverkar mätresultaten och impedansen begränsar mätnoggrannheten i fallet med mätningar utan strömning. Precisionen av mätuppställningen bestäms med hjälp av en multivariat analys som jämförs med en Monte-Carlo analys. Det visar sig att det är lämpligt att använda en multivariat analys för att bestämma noggrannhets-intervaller för de uppmätta spridningskoefficienterna för areasprånget. Problemet att bestämma noggrannhet för det uppmätta komplexa ljud trycket behandlas också. Med hjälp av ett ramverk baserat på Hilbert-transformen, härleds uttryck för uppskattning av noggrannheten i det uppmätta ljud trycket baserat på bakgrundsljudets spektrum. De erhållna kunskaperna används sedan för att bestämma de akustiska egenskaperna för ett areasprång. De uppmäta resultaten är inom 1.5% för absolutvärdet och 1 grad för fasen, jämfört med analytiska modeller i fallet utan strömning. Med strömning är noggrannheten något sämre, beroende på strömningsgenererat brus, men resultaten stämmer fortfarande bra överens med modellen. Dessutom observeras en plötslig ljudsabsorption för högre strömhastigheter och låga frekvenser.

Place, publisher, year, edition, pages
Stockholm: KTH Royal Institute of Technology, 2015. , vi, 94 p.
Series
TRITA-AVE, ISSN 1651-7660 ; 2015:25
Keyword [en]
Area-expansion, Scattering matrix, Multi-microphone method
National Category
Fluid Mechanics and Acoustics
Research subject
Engineering Mechanics
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-167419ISBN: 978-91-7595-588-9 (print)OAI: oai:DiVA.org:kth-167419DiVA: diva2:813294
Presentation
2015-05-29, E2, Lindstedstvägen 3, Stockholm, 10:00 (English)
Opponent
Supervisors
Funder
EU, FP7, Seventh Framework Programme, TANGO
Note

QC 20150522

Available from: 2015-05-22 Created: 2015-05-22 Last updated: 2015-05-22Bibliographically approved

Open Access in DiVA

Licentiate Thesis(1289 kB)107 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 1289 kBChecksum SHA-512
c2ac62d8814cde5ed7533cc30efff04c1dc4e25a4e3ba0ecee46dec3de1b9b028866285c6a8160d7789e6d932e41d4da89c6e4dd8d14e1f28dcb0e12e21a9c5e
Type fulltextMimetype application/pdf

Authority records BETA

Peerlings, Luck

Search in DiVA

By author/editor
Peerlings, Luck
By organisation
MWL Flow acoustics
Fluid Mechanics and Acoustics

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 107 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

isbn
urn-nbn

Altmetric score

isbn
urn-nbn
Total: 188 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf