Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik Teilprojekt 1 FREQUENZ* Berechnung lärmarmer Flugzeugkomponenten Status der Arbeiten R. Ewert Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik Technische Akustik DLR Braunschweig *Forschung zur Reduktion und Ermittlung des QUelllärms mittels Experiment und Numerik bei Zivilverkehrsflugzeugen

Target of TP1 Frequenz Development of validated noise prediction tools Computational noise prediction for turbulence related noise problems (airframe noise, jet noise) Identification of source mechanisms at aircraft components Introduction of noise prediction capabilities into the design process Making a step towards optimized low noise design Introduction of new noise prediction tools into industry Experimental and theoretical validation of methods Improvement of methods Validation of numerical methods at realistic noise sources

Partners in TP1 Industry - Airbus Deutschland - Rolls-Royce Deutschland - EADS Innovation Works Research establishment - DLR Institute of aerodynamics and flow technology Universities - RWTH Aachen, Aerodynamic Institute (AIA) - TU Berlin, Institute of fluid mechanics and technical acoustics (ISTA) - University of Stuttgart, Inst. of aerodynamics and gas dynamics (IAG)

Numerical prediction of 3 noise reduction devices Teilprojekt 1 FREQUENZ Numerical prediction of 3 noise reduction devices Nozzle serrations Slat Cove Filler MiniTEDs RANS+LEE (SNGR)1 RANS+APE (RPM)2 RANS+LEE (VI)7 RANS+APE adjungiert6 RANS+LEE (RPM)2 URANS+LEE1 DES+FW-H3 DES+FW-H4 LES+APE/FW-H5 DESIGN Amount of modeling assumptions Log( Wall Clock Time ) Validation Airframe Engine 1=EADS-IW, 2=DLR, 3=IAG Stuttgart, 4=ISTA Berlin, 5=AIA Aachen, 6=Rolls-Royce, 7=Airbus APE = Acoustic Perturbation Eqns., DES = Detached Eddy Simulation, FW-H= Ffowcs Williams Hawkings Eqn., LEE = Linearized Euler Eqns., LES = Large Eddy Simulation, RPM = Random Particle-Mesh method, SNGR=Stochastic Noise Generation & Radiation, URANS, RANS = Unsteady/Steady Reynolds Averaged Navier-Stokes Equations, VI = Vortex Injection

TP1 Präsentation Übersicht (DLR) DLR RR-D ISTA (HFI) IAG EADS AIA DLR (Zusammenfassung Stand d.Arbeiten + Fazit)

Teilprojekt 1 FREQUENZ* R. Ewert Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik Technische Akustik DLR Braunschweig Berechnung lärmarmer Flugzeugkomponenten Minderungsmaßnahmen gezahnte Düse *Forschung zur Reduktion und Ermittlung des QUelllärms mittels Experiment und Numerik bei Zivilverkehrsflugzeugen

Numerical prediction of 3 noise reduction devices Teilprojekt 1 FREQUENZ Numerical prediction of 3 noise reduction devices Nozzle serrations Slat Cove Filler MiniTEDs RANS+LEE (SNGR)1 RANS+APE (RPM)2 RANS+LEE (VI)7 RANS+APE adjungiert6 RANS+LEE (RPM)2 URANS+LEE1 DES+FW-H3 DES+FW-H4 LES+APE/FW-H5 DESIGN Amount of modeling assumptions Log( Wall Clock Time ) Validation Airframe Engine 1=EADS-IW, 2=DLR, 3=IAG Stuttgart, 4=ISTA Berlin, 5=AIA Aachen, 6=Rolls-Royce, 7=Airbus APE = Acoustic Perturbation Eqns., DES = Detached Eddy Simulation, FW-H= Ffowcs Williams Hawkings Eqn., LEE = Linearized Euler Eqns., LES = Large Eddy Simulation, RPM = Random Particle-Mesh method, SNGR=Stochastic Noise Generation & Radiation, URANS, RANS = Unsteady/Steady Reynolds Averaged Navier-Stokes Equations, VI = Vortex Injection

Example: turbulent flow around 2D airfoil RANS basierte Schallvorhersage Example: turbulent flow around 2D airfoil time-averaged RANS solution: 2D full turbulent flow problem: 3D Computational effort log(time) Physical Quality RANS 2D URANS 2D URANS 3D DES 3D LES 3D

The fast Random Particle-Mesh method for unsteady sources with prescribed two-point statistics Frequenz Frequenz Jet-Noise Tam & Auriault source Combustion Noise Airframe Noise Entropy source Frequenz Vortex sound source RPM(*): Stochastic model for turbulent fluctuations (time domain) with prescribed two-point statistics From RANS one-points statistics Turbulent velocities Haystacking (Spectral Broadening) (*) RPM: Random Particle-Mesh method, in press Comp. & Fluids

AP5410: CAA / RPM Slat Noise Prediction Simulation (PIANO) Exp. (EADS-IW AWB) 10 5 Frequency 5 kHz 10 Sound Pressure Level / dB Narrow Band Spectra Effect of Slat Cove Filler: M = 0.118 q = 270° Reference Cove filler Frequency / Hz Mach Number Scaling Mach Number rms Pressure / Pa (3D)

Comparison with DES 2D APE/RPM Simulation, 250k grid points FREQUENZ Profil Ewert & Emunds, AIAA Pap. 2005-2862 3D DES type of simulation, 27M grid points 30P30N airfoil, 5.6% chord spanwise extension Choudari & Khorami, AIAA Pap. 2006-0211

CAA jet noise approach: Time domain sound sources from Tam & Auriault model Original adjoint Tam & Auriault approach in the frequency domain N frequency bands, M observer positions: N x M near-field computations Primal Tam & Auriault approach in the time domain via RPM 1 computation (either near-field + Kirchhoff or close far-field) constant pressure, parallel flow assumption can be extended to realistic spreading jets with mean-flow pressure, density, and velocity variations

Two point correlation of Tam & Auriault source Measured axial jet velocity correlations vs. correlation model (i) Correlation analysis of RPM generated unsteady space-time sample, 1e5 time levels sampled

Turbulence kinetic energy from RANS CAA jet noise approac: Sound sources from turbulent velocity reconstruction Turb. kinetic energy reconstruction Snapshot of stochastic source Turbulence kinetic energy from RANS Length scale from RANS

Primal Tam & Auriault approach q

Simulation of jet-noise Oberes Bild zeigt die fluktuierenden Quellen – kleine Strukturen wachsen an und verlassen das Rechengebiet Im unteren Bild sind im unteren Bereich sind hydrodynamische Instabilitäten zu erkennen, weiterhin lässt sich die omnidirektionale Abstrahlung sowie die Schallkeule schräg stromab erkennen figure 2: above screenshot of the source term, beneath screenshot of the pressure history

Simulation of jet-noise Beschreibung der Winkelbenennung (fig. 3) Erläuterung der Ausgleichskurven (Polynome dritten Grades) durch die berechneten Schalldruckpegel (fig. 4) fmax ist Frequenz mit höchstem Pegel (der Ausgleichskurve) (fig. 4) figure 3: definition of observer positions Q and Q‘; Q’∞=Q∞ figure 4: sound pressure level (spl) in the observer positions Q = 90° and Q‘ = 155° as a function of (f/fmax) in comparison to the similarity spectra of Tam et al.

Simulation of jet-noise Vergleich der FREQUENZ-Fälle Base (Basisfall) L-min (Variation von lmin), NoMnG (Simulation ohne Hauptströmungsgradienten) und NONLIN (unter Berücksichtigung der Nichtlinearitäten) In der 90°-Position gute Übereinstimmung mit dem Spektrum der feinskaligen Turbulenzen – abgesehen vom Fall Lmin (fig. 5) In der 155°-Position fallen Spektren mit F-Spektrum zusammen (fig. 6) figure 5: sound pressure level (spl) in the observer position Q = 90° as a function of (f/fmax) in comparison to the similarity spectra of Tam et al. figure 6: sound pressure level (spl) in the observer position Q‘ = 155° as a function of (f/fmax) in comparison to the similarity spectra of Tam et al.

Simulation of jet-noise Beim Vergleich des Basisfalls mit COLD (kalter Jet) und SIL (mit Serration, Typ 2 aus der DA von Frauke Müller) gute Übereinstimmung mit G-Spektrum – größere Abweichungen nur bei SIL, Ursachte kann die vereinfachte Berücksichtigung der Serration sein (fig. 7) figure 7: sound pressure level (spl) in the observer positions Q = 90° as a function of (f/fmax) in comparison to the similarity spectra of Tam et al. figure 8: sound pressure level (spl) in the observer positions Q = 90° and Q‘ = 155° as a function of Sr for a serrated nozzle

Stand der Arbeiten im Vergleich zur Planung Minderungsmaßnahmen – AP5410 Düsenrandmodifikation - AP5430 Stand der Arbeiten im Vergleich zur Planung AP 5410: Minderungsmaßnahme Vorflügel Übergabe CAA Code PIANO an Airbus Simulationen Referenz Vorflügel Konfiguration abgeschlossen Simulationen Minderungsmaßnahme Balg abgeschlossen Berichtslegung AP 5430: Düsenrandmodifikation Übergabed PIANO an RR-D Original Tam & Auriault Verfahren (round, non spreading jet, frequency domain) zu rechenaufwendig für 3D Serrations (siehe nachfolgenden RR-D Vortrag) Alternativansatz: Primales Tam & Auriault Verfahren (Zeitbereich realisiert durch RPM Modell) gewählt für Simulationen Simulation Baseline Düse (2.5D) abgeschlossen Simulation Düsenrandmodifikation (2.5D) durchgeführt Ergebnisse nur vorläufig, erfordert RPM Erweiterung 2.5D -> 3D (Übergangsphase)enkonfiguration mit dem Verlängerung LEXMOS Übergabe PIANO RPM an RR-D + Simulation von Serrations durch RR-D Berichterstellung       

TP1 Präsentation Übersicht (DLR) DLR (Übersicht TP-1) RR-D ISTA (HFI) IAG EADS IW AIA DLR (Fazit + Ausblick)

TP 1: Termine im Berichtszeitraum Arbeitstreffen TP1/2: 17/18.04.2007, RR-D, Dahlewitz 21.11.2007, ACC, Frankfurt Veröffentlichungen: C. Lübon, M. Kessler, S. Wagner, E. Krämer: Detached Eddy Simulation of Seperated Flow on a High-Lift Device and Noise Propagation, Second Symposium on Hybrid RANS-LES Methods, June 2007, Corfu J. Yan, L. Panek and F. Thiele; Simulation of Jet Noise from a Long-cowl Nozzle with Serrations; AIAA 2007-3635, Rome, Italy J. Yan et al.; Effect of grid filter widths and model performance. Modeling and Simulation of Coaxial Jet Flow; 5th International Conference for Fluid Mechanics; 15-19, August, 2007, Shanghai, China D. Eschricht, L. Panek, J. Yan, F. Thiele and M. Jacob; Noise Prediction of a serrated nozzle using a hybrid approach; ICSV 14, Cairns, Australia, 2007 A. Kolb, M. Grünewald, M. Schneider, Modelling aero-acoustic noise for high-lift profiles, ECCOMAS CFD 2006, Egmond aan Zee (no paper) R. Ewert, RPM – the fast Random Particle-Mesh method to realize unsteady sound sources and velocity fields for CAA applications, AIAA 2007-3506, Rome, Italy R. Ewert, Broadband Slat Noise Prediction based on CAA and Stochastic Sound Sources from a Random Particle-Mesh Method (RPM), in press Comp. & Fluids, 2007

Stand der TP-1 Arbeiten AP 5410: Numerical prediction of slat / slat cove filler effect Fast RANS+APE (RPM) prediction of slat cove filler effect, DLR Shear layer developing from the slat cusp AIA + EADS-IW EADS-IW Clean Slat Reference Solution, LES+APE, AIA Mach number along cut G-G Hot wire vs. LES + RANS Turbulence kinetic energy from RANS

Aufgaben TP1 Berichtszeitraum

     EA 5411 Vorflügel – Referenzgeometrie AP 5410: Lärmminderung Vorflügel EA 5411 Vorflügel – Referenzgeometrie Airbus: Geometrien spezifiziert, RANS Daten geliefert, Störungsrechnungen durchgeführt DLR: Aeroakustische Störungssimulationen durchgeführt (CAA/RPM) EADS: URANS noch nicht durchgeführt wegen Cluster-Problemen, geplant für Verlängerungsphase + alternativ SNGR Simulation durchgeführt AIA: LES Simulation durchgeführt, APE Simulationen durchgeführt, Detailauswertung der LES (Zweipunktstatistik) geplant für Übergangsphase (wertvolle Datenbasis!!) EA 5411 Vorflügel – Minderungsmaßnahme Airbus/IAG: Geometrien spezifiziert, RANS Daten geliefert, Störungs- rechnungen durchgeführt EADS: URANS s.o.     

Stand der TP-1 Arbeiten AP 5420: Numerical prediction of MiniTEDs Turbulent and unsteady flow character downstream of the trailing edge caused by high lift devices (right picture) Noise prediction with the Ffowcs Williams-Hawkings-Analogy to classify the acoustic benefit of different high lift device configurations (bottom picture) Trailing edge device: 90° configuration (Detached Eddy Simulation) - λ2 isosurface, IAG Stuttgart

Aufgaben TP1

   EA 5421 MiniTEDs – Referenzgeometrie AP 5420: Vorhersage Lärm von MiniTEDs EA 5421 MiniTEDs – Referenzgeometrie Airbus: Geometrien spezifiziert, RANS Rechnungen durchgeführt IAG: RANS Rechnungen durchgeführt, DES Rechnungen für TED Konfigurationen durchgeführt, FWH Extrapolation ins Fernfeld durchgeführt EADS: URANS noch nicht durchgeführt wegen Cluster-Problemen, geplant für Verlängerungsphase EA 5422 Vorflügel – Minderungsmaßnahme Airbus/IAG: TED Geometriespezifikation/RANS Rechnungen EADS: URANS s.o.   

Stand der TP-1 Arbeiten AP 5430: Numerical prediction of noise reduction potential of nozzle serrations Passive effect on jet flow through serrations confirmed by simulation Proof of noise reduction potential ! flow RANS - LEE+RPM Simulation of large and fine scale jet noise, DLR CFD PIV DES Simulations ISTA Clean + Serration Nozzle Serrations, comparison PIV vs. steady RANS solution for TKE, RR-D

Aufgaben TP1

      EA 5431 Düsenrand – Referenzgeometrie (BASELINE) AP 5430: Düsenrandgeometrien EA 5431 Düsenrand – Referenzgeometrie (BASELINE) RR-D: Geometrien spezifiziert, RANS Daten geliefert, Störungsrechnungen orginal Tam & Auriault durchgeführt (Fazit: zu aufwendig) DLR: Alternativansatz Tam & Auriault primal entwickelt & aeroakustische Störungssimulationen durchgeführt (CAA/RPM) ISTA: DES + FWH Rechnungen erfolgreich durchgeführt, vergrößerte Rechnung für Übergangsphase angestrebt EA 5432 Düsenrand – verbesserte Variante RR-D: Geometrien spezifiziert, RANS Daten geliefert, Störungs- rechnungen orginal Tam & Auriault durchgeführt (s.o.) DLR: Aeroakustische Störungssimulationen 2.5D durchgeführt (CAA/RPM) ISTA: DES + FWH Simulation Düsenrand durchgeführt      

Fazit der TP-1 Arbeiten Zellenlärmberechnung: Low-Cost Methods (Design Tools): ‚Fast Design Method‘ (CAA/RPM) entwickelt, Übereinstimmung der vorausgesagten Spektren mit AWB Messdaten + Daten aus Literatur High-Fidelity Method (Validation Tools): Aufbau einer Rechenkette für Vorflügellärm, weltweit aufwendigste LES Rechnung für Vorflügel durchgeführt, aufgrund schlechter PIV Zugänglichkeit wertvolle Datenbasis für Zweipunktstatistiken Aufbau einer DES Rechenkette für MiniTEDs Strahllärmberechnung: Low-Cost Methods (Design Tools): Ursprünglich geplanter Ansatz zu aufwending, alternative ‚Fast Design Method‘ (CAA/RPM) entwickelt + Nachweis der Fähigkeit zur Berechnung von fein und grobskaligen Quelllärms High-Fidelity (Validation Tools) : DES Berechnungsverfahren aufgebaut + Nachweis der Berechenbarkeit von Serration Lärmminderung

Frequency domain integration of Tam & Auriault approach Adjoint linearized Euler equations with delta source, pa Green‘s functions

Simulation of jet-noise figure 1: characteristically curve of the coherence function C‘ of an axisymmetric ring-shaped source

solved in the time-domain Statistical approach solved in the time-domain Acoustic Problem (time domain) <=> Fundamental form of a statistical noise prediction approach (spectral space): Far-field spectra exactly recovered if synthetic fluctuating source realizes the proper space-time correlations BUT: no ‘higher’ n-point correlations have to be realized!!! (the whole set of n-point correlations would encode all details of turbulence – information unimportant for acoustic far-field spectrum in (ii) L : linear wave operator (i) (ii) Far-field spectrum Fourier transform of two-point space-time correlation between source points Green‘s function of underlying wave-eqn. L Cross-spectral density Two-point space-time correlation of source

CAA/RPM Breitbandlärmsimulation am FREQUENZ Vorflügelmodell FREQUENZ Zweielement Profil Schallquellen: RPM Modell generiert Stromfunktion als fluktuierende Grösse daraus strikt solenoidale Geschwindigkeitsfluktuationen und Wirbelschallquellen

AP5430: CAA jet noise approach: Sound sources from Tam & Auriault model

FREQUENZ DLH Teilprojekt 1 DLR Teilprojekt 2 EADS-IW Teilprojekt 3 DLH Berechnung * Slat + Minderung * MiniTEDs * gezahnte Düse Teilprojekt 2 EADS-IW Entw./Opt. Minderung * Klappen+Halter * Kanten * MiniTEDs Valid.-Experiment * slat + Minderung * ausgewählte MiniTEDs Teilprojekt 3 DLH Nachrüstmaßnahmen * Bewertg. existier. Lösgn * Entwicklg. neuer Lösgn. * Auswahl Validierung im Flugtest * Minderungspotenzial