Luftfahrtforschungsprogramm 2003 - 2007 FREQUENZ Numerische Methoden zur Strahllärmreduzierung (AP 5430) Statusseminar Frankfurt, 22.11.2007

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

Konfigurationen für die CFD/CAA Untersuchungen (nach Vorauswahl) Serr. 1 (3D) Serr. 2 (3D) CFD       Slide 3 wird aus patentrechtlichen Gründen nicht gezeigt. Alle sechs Konfigurationen wurden mit Sideline Flight Bedingungen gerechnet. Baseline und Slide 3 wurden mit Sideline und Cutback Bedingungen gemessen und berechnet.   PIV  CAA 

Aerodynamische Düsenbeiwerte Sideline Flight Serr 1 Serr 2 Slide 1 Slide 2 Slide 3 DCD [%] -0.04 -1.78 -0.02 +0.28 DCV [%] -1.79 -0.07 +0.71 Dhdiv [%] 0.00 -0.03 Durchsatzkoeffizient Divergenz-wirkungsgrad Änderungen in den Beiwerten, egal ob positiv oder negativ, sind als kritisch zu betrachten, wenn ein bestehendes Düsensystem (Baseline) um die Zahnung erweitert werden soll (Gefahr der Verschiebung des Triebwerksbetriebspunktes -> Fanarbeitslinie) Serrated 1 und Slide 1-2 zeigen keine Änderungen (sind innerhalb der numerischen Genauigkeit) Serr2 und Slide3 verringern/vergrößern die Beiwerte. Slide 3 ist demnach interressant für die Auslegung eines völlig neuen Düsenssytems. Deltas wurden durch Messung bestätigt. Geschwindigkeitskoeffizient

Validierung CFD vs. Strömungsmessungen Baseline vs Validierung CFD vs. Strömungsmessungen Baseline vs. Slide 3, Sideline, Flight

Axialgeschwindigkeit, Stromabverlauf Baseline CFD Exp. Slide 3 CFD Exp.

Vx bei x/D=1.0 PIV CFD Baseline Slide 3 Qualitativ und quantitativ sehr gute Abbildung der Axialgeschwindigkeit in beiden Fällen. Deformation der Scherschicht sehr gut abgebildet. Lediglich Durchmischung in Achsennähe wird in CFD schwächer modelliert als das Experiment zeigt.

Verlauf der Axialgeschwindigkeit Im Bereich der Scherschicht (x/D=0.5) sehr gute Abbildung von Vx. Mischung wird etwas schwächer modelliert. Im Bereich der Achse werden die CFD-Werte ungenauer mit steigendem x/D (Zellformen/-größe, 18Grad-Segment, Turbulenzmodel).

Turbulenzmodellierung, Baseline RKE PIV SKE PIV RSM PIV

Verlauf von k in der Scherschicht Für x/D>2 sehr gute Abbildung von k für die Baseline. Für 0.5<x/D<10 Abbildung des qualitativen Verlaufs für Slide 3. Statische Messung legt Vermutung nahe, dass für x/D>10 auch Zahlenwerte für Slide 3 und die Differenz zur Baseline stimmen.

Ergebnisse der CAA Untersuchungen

Anwendung ‚PIANO‘ Lösung des primalen akustischen Problems (DLR) Lösung des reziproken akustischen Problems (RRD) Aeroakustische Analogie - Integral (Tam/Auriault, 1999) APE ( Green‘sche Funktion) Frequenzbereich Quellmodel – Model für 2 Punkt Raum-Zeit Korrelationsfunktion Integralformulierung (Quelle, Green‘sche Funktion) Konvektionseffekte Refraktionseffekte Aufwand: Anzahl der Rechnungen für ein Quellfeld: N = Nf x NB = 24 x 10 = 240 Auflösung des ak. Feldes (St=10): 3D exakt 360, ca. 19 Millionen Zellen 3D Mode Null (7 Elemente azimuthal), ca. 4.2 Millionen Zellen 2D (x-r Ebene), ca. 600 000 Zellen

Reziprokes akustisches Problem (Green’sche Funktion) Akustische Impedanz Schalldruck t=const. Punktquelle im Fernfeld Piano / APE Reflexion, Interferenzen Starke Änderung der Impedanz im Gebiet der sehr dünnen Übergangsschicht zwischen heiß und kalt Invariant gegenüber Variation der Auflösung LEE - deutlich geringere Interferenz

Quellintensität für 90 Beobachter – Qualitativer Vergleich Tam, Pastouchenko, Auriault (2001) Einfacher, kalter Strahl 3D Sr = 1.00 Piano / APE, 2D Kalter Strahl, Ringmischer Slide 3 Sr = 1.40 (2500 Hz)

Axiale Postion der Peak-Quellintensität für 90 Beobachter – Qualitativer Vergleich - Tam, Pastouchenko, Auriault (2001) Hohlspiegel ............................. Korrelationsanalyse (Model) ........ Korrelationsanalyse (Triebwerk) .. CAA ......................................... Piano / APE 2D, kalter Strahl, Ringmischer, Slide 3 ........................ Sr=0.35 (625 Hz) Sr=1.40 (2 500 Hz) Sr=5.55 (10 000 Hz) Lexmos

Zusammenfassung CFD CAA Einfluss der Düsenrandvariation auf die Düsenbeiwerte abgebildet Stromab sehr gute Abbildung von TKE in der Scherschicht CFD modelliert Axialgeschwindigkeit bis z/D=0.2 sehr gut. Durchmischung in der Messung stärker als in der CFD. Potenzialkern kürzer in der PIV Messung (Turbulenzmodell). TKE-Differenzen zwischen Baseline und Slide 3 im Experiment größer als in der CFD (Turbulenzmodell) CFD Ergebnisse repräsentativ CAA Aeroakustische Analogie zur Strahllärmberechnung, Formulierung nach Tam/Auriault (1999) Simulation im Spektralbereich, Lösung des reziproken akustischen Problems (APE selbst-adjungiert) Aufwand: Anzahl der Rechnungen für ein Quellfeld: N = Nf x NB = 24 x 10 = 240 Auflösung des ak. Feldes (St=10): 3D exakt 360, ca. 19 Millionen Zellen 3D Mode Null (7 Elemente azimuthal), ca. 4.2 Millionen Zellen 2D (x-r Ebene), ca. 600 000 Zellen Reduktion auf 2D Quell- und Strahlungsfeld erforderlich APE: Interferenzen durch zu hohe Reflektion am steilen, radialen Temperaturgradient im Strahl, bei LEE nicht prominent Quellintensität qualitativ vergleichbar mit publizierten Daten Spektren basierend auf 2D Reduktion – nicht repräsentativ, erwartete SPL(f, ) und Tendenzen nicht reproduziert Eingeschränkte Eignung für den Designprozess in der industriellen Praxis

Plan Kritische Bewertung des Gesamtkonzeptes und Identifizierung von Schwerpunkten für die weitere Arbeit CFD Netzauflösung im Bereich der Düsenabströmkante -> Netzunabhängigkeitsstudie Turbulenzmodell -> Reynoldsstress-Model Statischer Fall CAA  LEE, Zeitbereich, RPM Quellmodell, effizient Reduzierung der Rechnungen von N=240 auf N=1, dadurch die erforderliche 3D Behandlung im Bereich der Düsenhinterkante möglich Interferenzen nicht vorhanden RPM reproduziert auch die Schallerzeugung durch großskalige Turbulenz Bewertung der Düsenkonfiguration mit dem Verlängerung LEXMOS Berichterstellung    

Back Up

CFD-Model Netz: Strukturiertes Netz 3D, 18° Kreissegment 15D radial, 80D axial, ca. 6.2 Mio. Zellen CFD: Sideline / Cutback Bedingung 3D – RANS, Realizable k- Modell mit Enhanced Wall Treatment Das 18Grad Segment entspricht gerade einer Serration-/Corruagtion-Periode.

Vermessene Konfigurationen und Betriebspunkte SlSt SlFl CbSt CbFl Baseline Slide 3 Sl : Sideline Cb : Cutback St : Static Fl : Flight : PIV Daten Die Static-Testfälle (Flugstrahl V=0) sind numerisch schwierig zu behandeln. Die Berechnungen für die Static-Fälle sind in Bearbeitung um mehr Vergleichsmöglichkeiten zu liefern. : CFD Daten

Turbulente kinetische Energie, Stromabverlauf CFD Base Exp. CFD Slide 3 Exp. K-Maximum ist für Baseline in der CFD weiter hinten Das gemessene Delta zwischen Baseline und Slide 3 ist in den CFD-Daten nicht zu erkennen.

Axiale Vorticity x/D=0.3 x/D=1.0 CFD

k bei x/D =1.0 Baseline Slide 3 PIV CFD CFD bisldet Deformation der Scherschit für Slide 3 qualitativ ab. CFD sagt die k-Werte höher voraus im Bereich nahe der Düsenabströmkante. Liegt möglicherweise im Turbulenzmodell begründet (Isotropie der Turbulenz).

Green’sche Funktion des reziproken akustischen Problems Punktquelle im Fernfeld an Beobachterposition in Ebene Φ = constant (2D) Akustisches Potential: Piano / APE  Effiziente Bestimmung der Green’schen Funktion für jeden Punkt im Quellgebiet aus der Lösung des reziproken ak. Problems für den jeweilen Beobachter

Spektrale Schallleistungsdichte im Fernfeld Tam/Auriault Quellterm (Turbulenzgrößen, Model für Korrelationsfunktion, Konvektionseffekte, Empirische Konstanten) Green’sche Funktion

Quellintensität für 90 Beobachter – Qualitativer Vergleich Tam, Pasouchenko, Auriault (2001) Kalter Strahl 3D Sr = 0.30 Piano / APE, 2D Kalter Strahl, Ringmischer Slide 3 Sr = 0.35 (625 Hz)

Plan vs. Status        