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Numerik

Numerische Simulationen (CFD/CAA)

Gegenstand der numerischen Bewertung der Schallemission von Turbomaschinen ist die Abbildung der relevanten physikalischen Prozesse in einer virtuellen Umgebung. Ist die physikalische Relevanz der numerischen Prozesskette gegeben, kann vom „virtuellen Experimentieren“ gesprochen werden.

In den verschiedenen Bereichen der realen Turbomaschine dominieren unterschiedliche physikalische Prozesse und ihre Interaktion die abgestrahlte Schallleistung. Der nötige Aufwand, diese physikalischen Mechanismen abzubilden, variiert dabei sehr stark. So sollte stets das einfachste bzw. schnellste Verfahren in den verschiedenen Bereichen verwendet werden, welches noch in der Lage ist, die wesentlichen physikalischen Mechanismen darzustellen.

Verschiedene Modelle zur Berechnung der Strömungsakustik werden an den Bereichsgrenzen miteinander gekoppelt, um den Schall virtuell von der Quelle zum Beobachter auszubreiten. Um den Blick auf die physikalischen Mechanismen der Schallerzeugung, -ausbreitung und -abstrahlung freizugeben wird eine weitestgehende Automatisierung dieser Kopplung angestrebt. Eine Validierung der gesamten Berechnungskette anhand von analytischen und experimentellen Daten ist zwingende Vorraussetzung, um die physikalische Relevanz der erzeugten „virtuellen Messergebnisse“ sicher zu stellen.

Die numerischen Methoden werden unter verschiedenen Zielsetzungen angewendet:

• Akustische Bewertung von neu ausgelegten Triebwerkskomponenten, neuen Technologien und Konzepten
• Grundlagenuntersuchungen zur Unterstützung der Weiterentwicklung des Vorhersage-Programms PropNoise und fortschrittlicher Messverfahren

Die Schallemission eines Fans ist ein typisches Anwendungsbeispiel. Um den Schall vom Quellgebiet bis ins Fernfeld berechnen zu können, werden verschiedene Verfahren mit variierender Komplexität gekoppelt. Im Quellgebiet werden die kompressiblen, instationären Navier-Stokes-Gleichungen mit dem CFD - Code TRACE gelöst. Im unmittelbaren Nahfeld wird die akustische Information aus der CFD-Rechnung anhand eines „acoustic-splitting“ Verfahrens extrahiert und als Randbedingung für eine CAA-Simulation vorgegeben. Die Schallausbreitung und -abstrahlung werden im geometrischen Nahfeld mit den Euler-Gleichungen und die Richtcharakteristik im Fernfeld mit einer akustischen Analogie berechnet.

Anwendungsbeispiele:   Simulation der Schaufeltöne eines Fans: Schallerzeugung, -ausbreitung, und -abstrahlung. Dabei wird eine akustische Rückkopplung von dem Ausbreitungsgebiet (CAA) in das Quellgebiet (CFD) ausgeschlossen.   Unterstützung der Weiterentwicklung von semi-analytischen Modellen und Messverfahren. Beispielsweise wird an der Entwicklung eines Modells für die Schalltransmission durch eine Schaufelkaskade gearbeitet.	CFD/CAA Kopplung auf den DLR UHBR-Fan angewendet . Schalltransmission durch eine Schaufelkaskade mit CAA Code PIANO berechnet . Kalibrierung eines Nachlauf-Modells anhand numerischer Simulationen .
Eingesetzte Programme:   Die numerischen Simulationen werden mit den folgenden DLR eigenen Programmen durchgeführt: TRACE Finite-Volumen basierendes CFD- Verfahren, welches hauptsächlich als URANS Löser zur Berechnung des Quellgebiets benutzt wird. TRACE wird fortlaufend von der Abteilung Numerische Methoden des Instituts für Antriebstechnik in Köln entwickelt.   PIANO: Finite-Differenzen basierendes CAA- Verfahren, in welchem verschiedene Varianten der Eulergleichungen implementiert sind und dass zur Berechnung der Schallausbreitung im Kanal und der Schallabstrahlung ins Fernfeld verwendet wird. PIANO wird fortlaufend von der Abteilung Technische Akustik des Instituts für Aerodynamik und Strömungstechnik in Braunschweig entwickelt.	Instationäre TRACE Simulation der Rotor-Stator Wechselwirkung . Ausbreitung einer Mode (m,n)=(3,2) mit dem CAA-Code PIANO berechnet
Aktuelle Eigenentwicklungen: Zur Datenvorbereitung, Kopplung und Datenanalyse werden verschiedene Algorithmen implementiert: Automatische Kopplung zwischen den CFD- und CAA-Codes: die Ergebnisse der instationären CFD-Simulation werden als Randbedingung in dem CAA-Code vorgegeben. In bestimmten Anwendungsfällen ist dafür als Zwischenschritt die Zerlegung in aerodynamische und akustische Schwankungen nötig.   Fernfeldintegration: häufig ist es unnötig und auch zu aufwändig, mit einem CAA-Verfahren die Schallausbreitung bis ins Fernfeld zu berechnen. In solchen Fällen wird dann mit einer Ffwocs-Williams-Hawking (FW-H) Analogie die Projektion der Schallsignale  ins akustische Fernfeld durchgeführt.   Impedanzrandbedingung: Erweiterung der in PIANO zur Verfügung stehenden Randbedingungen um eine schalldämpfende Wand. So kann der Einfluss eines Liners auf die Schallausbreitung berücksichtigt werden.    Modenzerlegung: eine ausführliche Datenanalyse des Schallfeldes im Kanal schließt mit einer azimutalen und radialen Modenzerlegung ab.  Nur so lassen sich tiefgehende Einsichten in die Schallerzeugungs- und Ausbreitungs-mechanismen gewinnen.	Trennung zwischen akustischen und aerodynamischen Druckschwankungen . Rekonstruierter Schalldruckpegel eines Monopoles mit Hilfe der FW-H Analogie (Machzahl = 0.8) .