Schwingungen und Akustik

Schwingungen und Akustik

Magnetlagerprüfstand, Fluidsystemtechnik, TU Darmstadt
Magnetlagerprüfstand, Fluidsystemtechnik, TU Darmstadt

Die Beherrschung von Schwingungen und akustischen Phänomenen ist eine zentrale Anforderung im Maschinenbau: Jede Maschine muss als elastische Struktur angesehen werden, welche auf unterschiedlichste Arten und Weisen zu Schwingungen angeregt wird. Ob eine Schwingung wiederum als Schall oder Vibration wahrgenommen werden kann, hängt von der Frequenz und der Amplitude der jeweiligen Schwingung ab.

Beispielsweise erfahren Maschinen, die drehende bzw. schnell rotierende Bauteile enthalten, generell Kraftanregungen ihrer Struktur infolge von Unwuchten. Sämtliche Turbomaschinen fallen in diese Maschinenkategorie. Darüber hinaus erfolgt die Schwingungsanregung oftmals auch durch die Bewegung von Maschinenkomponenten, die eigentlich zu deren Befestigung gedacht sind. Derartige Fußpunkterregungen sind im Maschinenbau häufig anzutreffen: Sei es die eigentliche Funktion der Komponente, die negativen Auswirkungen einer Fußpunktanregung auf den Rest der Maschine zu unterbinden, wie es beispielsweise bei Federdämpfersystemen in Automobilen der Fall ist, oder gehe es um die Beherrschung von Katastrophenszenarien, in denen der Erhaltung der Funktion der Maschine trotz Bewegungen der Umgebung die höchste Priorität zugeschrieben ist, wie es beispielsweise bei Kühlmittelpumpen in Kernkraftwerken der Fall ist.

Schwingungsanregungen müssen jedoch nicht zwangsläufig kinematischen (Fußpunkterregung) oder festkörperdynamischen Ursprunges (Unwuchtanregung) sein: Die gegenseitige Wechselwirkung einer Strömung mit den von ihr umströmten elastischen Strukturen – die sogenannte Fluid-Struktur-Interaktion – verursacht eine direkt aus dem Prozess stammende Schwingungsanregung, deren Systematik sehr komplex, wenig erforscht und daher bisher nur schwer vorhersagbar ist. Derartige Phänomene treten jedoch generell in engen durchströmten Spalten auf und weisen somit im Bereich der Turbomaschinen und Armaturen eine hohe Relevanz auf.

Strömungsakustik ist ein sehr großes Forschungsfeld in der Luftfahrt und der Automobilindustrie, aber auch bei Turbomaschinen und Industriearmaturen ist Reduktion des vom Prozess ausgehenden Lärmes ein bedeutendes Forschungsthema. Dabei schließt sich der Bereich der Akustik an den Bereich der Schwingungen an: Die Ausbreitung von Schall kann als Folge von Bauteilschwingungen angesehen werden. Dies führt unter anderem bei Industriearmaturen (wie Stellventilen) oder Turbomaschinen (wie Industrieventilatoren) zu störenden Lärm.

Am Institut für Fluidsystemtechnik wird die ganzheitliche Betrachtung von Systemen und Problemstellungen als zentrale Aufgabe des modernen Ingenieurswesens angesehen. Konsequenterweise wird die Erforschung und Entwicklung schwingender Systeme und Maschinen wie beispielsweise Turbomaschinen, Armaturen und hydropneumatischer Federdämpfersysteme nicht als exklusives Beschäftigungsfeld für Festkörper- und Rotordynamiker verstanden: Die Forschungs- und Entwicklungsarbeit an diesen – von Natur aus verschiedene Disziplinen des Maschinenbaus verbindenden – Maschinen und Komponenten erfordert die ganzheitlich-interdisziplinäre Betrachtung, an die sich das Institut mit seiner speziellen Expertise im Bereich der Fluidsystemtechnik heran wagt.

Neben experimentellen und numerischen Untersuchungen der wissenschaftlichen Fragestellungen stellt das Institut für Fluidsystemtechnik stets auch die physikalisch basierte Modellbildung in den Vordergrund: In vielen Bereichen der Ingenieurspraxis ist neben Prüfstands- und Simulationskapazitäten vor allem der Faktor Zeit knapp bemessen, sodass auch heute enormer Bedarf zur Gewinnung auslegungsrelevanter Informationen aus einfachen, analytischen (und damit schnellen) Werkzeugen besteht. Durch die Modellbildung von Fluidsystemen mit besonderem Fokus auf die Untersuchung der Skalierung von Unsicherheiten wird das Forschungscluster „Schwingungen & Akustik“ am Institut für Fluidsystemtechnik abgerundet.

Sonderforschungsbereich 805

Am Institut für Fluidsystemtechnik entwickelter aktiver Luftfeder-Dämpfer
Am Institut für Fluidsystemtechnik entwickelter aktiver Luftfeder-Dämpfer

Der Sonderforschungsbereich (SFB) 805 behandelt die Thematik „Beherrschung von Unsicherheit in lasttragenden Systemen des Maschinenbaus“ und ist mit Prof. Pelz als Sprecher fest am Institut für Fluidsystemtechnik verankert. Die am Institut angesiedelten Teilprojekte – Entwicklung eines aktiven Luftfederdämpfers und Skalierung unter Unsicherheit – gliedern sich in das Forschungscluster „Schwingungen und Akustik“ ein.

Der aktive Luftfederdämpfer soll in dem Demonstrator des SFB, einem Zweimassenschwinger, eingesetzt werden. Mit Hilfe des Demonstrators soll Unsicherheit in Folge von Modularisierung, Dynamisierung, Skalierung und menschlichem Einfluss beschrieben, bewertet und schließlich beherrscht werden.

Aktuelle Forschung

Thema Bearbeiter Infos
   
Schwingungen in Hubventilen Ibrahim Budde, M.Sc.
Forschungsposter
   
Aktiver Luftfeder-Dämpfer / Adaptronische Energiedissipation unter Ausnutzung des elektroviskosen Effekts & aktive Lageregulierung im hydropneumatischen Feder-Dämpfer-System Philipp Hedrich, M.Sc.
Forschungsposter,
Informationen
   
Schwingungs- und thermisches
Verhalten von luftgedämpften
dynamischen Systemen
Willy Fongue, M.Sc.
Forschungsposter
   
Rotordynamische Modellierung von Dichtspalten in Kreiselpumpen Sebastian Lang, M.Sc.
Forschungsposter
   
Skalierung unter Unsicherheit Dipl.-Ing. Angela Vergé
Forschungsposter
   
Effiziente numerische Simulation von turbulenzbedingtem Strömungsschall mit OpenFOAM Dipl.-Ing. Qin Wang
Forschungsposter
 

Abgeschlossene Forschungsvorhaben

Thema Bearbeiter Infos
   
Verluste bei Hydrauliksystemen mit
periodischen Volumenströmen
Dr.-Ing. Martin Dimitrov Download
   
Energiegewinnung aus schwingenden
Systemen
Dr.-Ing. Martin Dimitrov Download
   
Numerische Berechnung des Innenschalldruckpegels von Innenströmungen auf Basis von CFD- Simulationen Andreas Stein, M.Sc. Download
Download
   
Unsicherheitsbeherrschung durch hochintegriertes aktives Federbein Dipl.-Ing. Thomas Bedarff
Informationen
   
Entwicklung optimaler Regelstrategien für Luft-Feder-Dämpfer Dr.-Ing. Matthias Puff Download
   
Adaptronische Energiedissipation unter Ausnutzung des elektroviskosen Effekts und
aktive Lageregulierung im hydropneumatischen Feder-Dämpfer-System (HFDS)
Dipl.-Ing. Thomas Bedarff Download