Einleitung
Das übergeordnete Ziel der Arbeiten in der Abteilung Triebwerksakustik (AT-TRA) ist die Verminderung der Lärmimmision für Anwohner in der Nähe von Flughäfen. Die Modellierung der Ausbreitung von Triebwerksgeräuschen ist hoch komplex, da der Schall auf seinem Weg vom Flugzeug zu einem entfernten Beobachter durch viele Effekte beeinflusst wird. Dazu gehören die Reflexion und Beugung von Schallwellen an den Einläufen und Abgasdüsen des Triebwerks, die Beugung und Brechung von Schallwellen an Scherschichten und die Streuung durch Turbulenz. Aktuelle Forschungsthemen der Abteilung AT-TRA auf diesem Forschungsfeld werden weiter unten kurz dargestellt.
Analytische und numerische Arbeiten
Zur effizienten Berechnung von Schallerzeugung und Schallausbreitung bis ins Fernfeld wird das Rechengebiet in drei Teile zerlegt. In den Einzelbereichen werden dedizierten Rechenverfahren verwendet, welche an den Gebietsgrenzen auf geeignete Weise miteinander gekoppelt werden. Die einzelnen Teile sind das Quellgebiet, das Ausbreitungsgebiet und das Fernfeld. Für die Schallerzeugung sind meist nicht lineare und viskose Effekte von Bedeutung. Im Quellgebiet werden die URANS Gleichungen mit dem CFD-Verfahren TRACE gelöst. Dieses bildet auch die Schallausbreitung aus dem unmittelbaren Nahfeld der Schallquelle heraus ab. Das Ausbreitungsgebiet bezeichnet den Bereich, in dem sich die Schallwellen auf einer inhomogenen Hintergrundströmung ausbreiten. In diesem Bereich wird der Einfluss von Reibung und Nichtlinearitäten auf die Schwankungsgrößen vernachlässigt. Zur Beschreibung der Schallausbreitung werden die linearisierten Eulergleichungen verwendet. Diese werden mit dem CAA-Verfahren PIANO im Zeitbereich gelöst. Für die letztendliche Bewertung der Schallemission einer Turbomaschine sind die Schallpegel im Fernfeld entscheidend. Die Verwendung eines CAA-Verfahrens zur Berechnung der Schallausbreitung bis ins Fernfeld ist jedoch ineffizient und zumeist unpraktikabel. Mit steigender Entfernung zum Quellgebiet vergleichmäßigt sich die Hintergrundströmung zunehmend, so dass in gewisser Entfernung die konvektive Wellengleichung ausreichend zur Beschreibung der Schallausbreitung auf der homogenen Hintergrundströmung ist. Da diese eine analytische Lösung besitzt, kann die Schallausbreitung bis ins Fernfeld unter Verwendung eines Integralverfahrens beschrieben werden. Der Rechenaufwand für die Fernfeldintegration ist dabei, anders als bei CFD und CAA-Verfahren, unabhängig von der Ausbreitungsentfernung.
Zur Fernfeldintegration stehen drei Verfahren zur Verfügung, welche in den vergangenen Jahren am Standort entwickelt wurden. Diese implementieren eine Lösung der konvektive FWH-Gleichung. Zwei Verfahren arbeiten mit beliebig geformten Integrationsflächen im Zeit- oder im Frequenzbereich. Im Frequenzbereich können turbomaschinenspezifische Vereinfachungen eingeführt werden. Bei der Beschränkung auf axialsymmetrische Integrationsflächen und der Entwicklung der Schwankungsgrößen in eine Fourierreihe bzgl. der Umfangsrichtung kann die Integrationsfläche auf eine Linie reduziert werden.
Weiterhin werden CAA-Simulation und Methoden der Ray-Theorie zur Berechnung der Schallabstrahlung von Triebwerkseinläufen eingesetzt. Untersuchungen zeigen einen erheblichen Einfluss der Schallabstrahlung durch die Gehäusekontur und den resultierenden Strömungsgradienten.
Experimentelle Arbeiten
Mit Hilfe von Mikrofonarrays im Fernfeld (Arraymesstechnik) kann die Richtcharakteristik des Triebwerksgeräuschs charakterisiert werden. Wenn zusätzlich geeingnete Sensoren in der Nähe der Schallquelle, z.B. innerhalb der Brennkammern, vorhanden sind, kann die Korrelation oder Transferfuktion zwischen der Quelle und dem akustischen Fernfeld bestimmt werden. Auf dieser Basis können Effekte bei der Schallausbreitung, z.B. der Einfluss der Streuung des Schalls beim Durchgang durch Scherschichten, quantifiziert werden.
Weiterführende Links
PropNoise
Arraymesstechnik