Fanlärm selbst umfasst tonale und Breitbandkomponenten und entsteht aufgrund einer Vielzahl von Mechanismen:
Für Blattspitzengeschwindigkeiten unterhalb der Schallgeschwindigkeit wird das abgestrahlte akustische Feld typischerweise von den diskreten Tönen bei der Blattfolgefrequenz (BPF) und ihren Harmonischen beherrscht. In solchen Fällen sind die Interaktion des Rotornachlaufs mit den Statoren stromab und die Interaktion des Rotors mit den Störungen der Einströmung die dominierenden Mechanismen der Lärmentstehung.
Die numerische Berechnung der Lärmentstehung und die Übertragung der Grundgleichungen auf eine realistische, dreidimensionale axiale Fan-Konfiguration ist sehr rechenintensiv. Wie bei allen numerischen Strömungsakustikanwendungen (CAA) muss man besondere Aufmerksamkeit legen auf eine adäquate räumliche und zeitliche Auflösung der kleinen Amplituden akustischer Wellen legen. Die tatsächlichen Wellenübertragungscharakteristika, sowie die Anforderungen an das Netz und die Zeitschrittgröße des TRACE-Codes wurden in Studien nachgewiesen.
Randbedingungen
Ein genauso wichtiger Aspekt jeder CAA-Simulation sind die Randbedingungen, und im Besonderen die Abstrahlungsrandbedingungen, die entlang der äußeren Ränder des Rechengebietes benötigt werden. Diese Randbedingungen sollten idealerweise durchlässig für rausgehende Wirbel, akustische Wellen und Entropiewellen sein, während sie einlaufende Störungen und vorgeschriebene, physikalische Randbedingungen erlauben. Diese akkuraten nichtreflektierenden Randbedingungen wurde in den TRACE-Code implementiert. Insbesonders wurde eine Implementierung speziell für die Berechnung mit dem impliziten Pseudozeitverfahren von TRACE entwickelt. [Ashcroft]
Detached Eddy Simulation (DES)
Die Effekte der Strömungsfeldinteraktion spielen eine entscheidende Rolle im Prozess der Lärmentstehung. Eine spezielle numerische Simulation ist notwendig, um die Schallspektren des Fernfeldes vorauszusagen. Das in TRACE implementierte DES-Schema wurde kalibriert und angewendet auf zwei verschiedene Testfälle, die für Turbomaschinenströmungen relevant sind. Einer der beiden Testfälle ist der Stab-Flügelprofil Testfall, der auf die Simulation des Breitbandslärms in Turbomaschinen zielt. Um die Exaktheit des ausgewählten DES-Models für die Vorhersage des Breitbandlärms einzuschätzen, wurden Simulationen des von Jacob et al. veröffentlichten Stab-Flügelprofil Testfalls durchgeführt. Um den Lärm exakt vorauszusagen, der von periodischen Wirbelstrukturen abgestrahlt wird, welche mit mehreren stochastischen, kleinskaligen Schwankungen überlagert sind, muss ein numerisches Model fähig sein, zumindest die größeren turbulenten Strukturen im Nachlauf eines Zylinders und deren Interaktionen mit dem Flügelprofil stromab zu simulieren.
Eine weitere Überprüfung der Methode ist die Strömung durch einen Zwangsmischer. Die Strömung in Mischerdüsen ist durch Scherschichten mit starken Geschwindigkeitsgradienten zwischen der Neben- und Kernströmung gekennzeichnet, die die starken turbulenten Strukturen in Umfangsrichtung und radialer Richtung anfachen. Diese starken Strukturen interagieren auf der einen Seite mit dem tonalen Lärmfeld und verursachen auf der anderen Seite Breibandlärm.
LinearTRACE
Zurzeit wird die Anwendung von zeit-linearisierten RANS Methoden auf die Entstehung und Ausbreitung von Strömungslärm in einer modernen Turbofan-Triebwerk mit hohem Nebenstromverhältnis untersucht. Die konvektiven und viskosen Flüsse des vorhandenen URANS Lösers wurden hierfür linearisiert und die sich hieraus ergebenen instationären linearen Gleichungen werden im Frequenzbereich gelöst. So wurde das Problem von einer instationären zeitlichen Integration in ein einfacheres komplexes lineares System überführt. Dieses lineare System wird mittels einer parallelen, vorkonditionierten neustartende GMRES Methode gelöst. Wenn man bedenkt, dass nichtlineare instationäre CFD Simulationen auch weiterhin sehr rechenintensiv bleiben, zeigen die Ergebnisse, dass der zeit-linearisierte Löser zur Lärmvorhersage eine adäquates Methode ist, um effizient die Schallpegel vorherzusagen.
UHBR-Fan, Druckfeld der ersten Harmonischen in der sechsten Mode: Links - nichtlinearer Löser, rechts -linearisierter Löser
Anbindung an akustische Fernfeldextrapolation
Um die akustischen Eigenschaften des Triebwerks zu beurteilen, werden typischerweise weitere Verfahren angewendet. Diese sind auf Simulation der akustischen Wellenausbreitung ins Fernfeld optimiert wurden. Dazu gehören unter anderem die Boundary Element Methoden (BEM) und integrale Verfahren zur Fernfeldextrapolation nach Ffowcs Williams & Hawkings oder Kirchhoff. TRACE stellt für diese Anwendungen passende Flächen zur Verfügung.Diese können sowohl durchlässig als auch feste Wände sein und können von Benutzer frei definiert werden. Entweder erfolgt das bereits vor einer Rechnung mit TRACE, um die Dateiausgaben zu verringern, oder im Nachhinein aus der vollständigen 3D Lösung.Die Definition einer durchlässigen Flächen erfolgt dabei von Benutzer mittels Iso-Kontur Linien und wird mit Hilfe von VTK (Visualization Toolkit) von Kitware erstellt. Die resultierenden Flächen sind unstrukturierte Gitter, die jedoch mit einer Bandstruktur versehen werden können, um eine modale Zerlegung durchführen zu können. Die Auflösung orientiert sich dabei am Rechengebiet und ist ebenfalls in Blöcke zerlegt, um eine effiziente Blockparallelisierung zu erzielen.
Offene gegenläufige Rotoren mit einer umschließenden Fläche zur akustischen Fernfeldextrapolation
Referenzen