Wirbelstrukturen im Stab-Flügelprofil-Testfall
Visualisierung der Scherschicht in einem Zwangsmischer
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 auf zwei verschiedene Testfälle validiert, die für Turbomaschinenströmungen relevant sind. Einer der beiden Testfälle ist der Stab-Flügelprofil-Testfall, der auf die Simulation des Breitbandlärms in Turbomaschinen zielt. Um die Exaktheit des ausgewählten DES-Modells für die Vorhersage des Breitbandlärms einzuschätzen, wurden Simulationen des von Jacob et al. veröffentlichten Stab-Flügelprofil-Testfalls durchgeführt. Periodische Wirbelstrukturen werden mit mehreren stochastischen, kleinskaligen Schwankungen überlagert. Die größeren, turbulenten Strukturen im Nachlauf eines Zylinders und deren Interaktionen mit dem Flügelprofil stromab sind die dominanten Effekte für die Lärmentstehung. Ein numerisches Modell muss fähig sein zumindest diese Effekte 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.
Bis heute sind die Triebwerke die entscheidenden Lärmquellen an einem Flugzeug. Früher wurde der Antriebslärm vom Strahllärm dominiert. Insbesondere die Einführung des Bypass-Antriebskonzepts hat diese Lärmquellen drastisch reduziert. Während Start und Landung ist die Hauptlärmquelle eines modernen Turbofan-Triebwerks mit hohem Nebenstromverhältnis der Fan-Lärm. Dieser wird sowohl nach vorn durch den Einlass als auch nach hinten durch die Düse abgestrahlt.
Fanlärm 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.
LES einer turbulenten Strömung in einem Fan mit niedriger Machzahl: Iso-Flächen Lamda-2
UHBR-Fan, Druckfeld der ersten Harmonischen in der sechsten Mode: links - nichtlinearer Löser, rechts - linearisierter Löser
Validierung einer impliziten nichtreflektierenden Randbedingung: Wellenausbreitung stromauf (M=0.4, Eta=1.28, p0=89 Pa) Kontur der Druckschwankung zu einem Zeitpunkt
Offene, gegenläufige Rotoren mit einer umschließenden Fläche zur akustischen Fernfeldextrapolation
Zurzeit wird die Anwendung von zeit-linearisierten RANS Methoden auf die Entstehung und Ausbreitung von Strömungslärm in einem 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, komplex-lineares System überführt. Wenn man bedenkt, dass nichtlineare, instationäre CFD Simulationen auch weiterhin sehr rechenintensiv bleiben, zeigen die Ergebnisse, dass der zeit-linearisierte Löser zur Lärmvorhersage eine adäquate Methode ist, um effizient die Schallpegel vorherzusagen.
Ein 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 wurden in den TRACE-Code implementiert. Insbesondere wurde eine Implementierung speziell für die Berechnung mit dem impliziten Pseudozeitverfahren von TRACE entwickelt.
Um die akustischen Eigenschaften des Triebwerks zu beurteilen, werden typischerweise weitere Verfahren angewendet. Diese sind für die Simulation der akustischen Wellenausbreitung ins Fernfeld optimiert worden. 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 vom 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.