Simulation des Strahllärms D. Eschricht, J. Yan, L. Panek, F. Thiele

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1 Simulation des Strahllärms D. Eschricht, J. Yan, L. Panek, F. Thiele
FREQUENZ 5430 TP1 - Vorhaben 1.6: Simulation des Strahllärms bei gezahnten Düsen 22. November 2007 D. Eschricht, J. Yan, L. Panek, F. Thiele 22. Nov. 2007 Statusseminar NASGeT, LEXMOS & FREQUENZ, Frankfurt/Main

2 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 Folie von R. Ewert Zeigt unsere Anordnung in der Matrix der Berechnungsmethoden 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 = Lin. 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 22. Nov. 2007 Statusseminar NASGeT, LEXMOS & FREQUENZ, Frankfurt/Main

3 Statusseminar NASGeT, LEXMOS & FREQUENZ, Frankfurt/Main
Geometrie und Gitter Gezahnte Geometrie 7° Baseline: ohne Zähne,120 Zellen im Umfang Baseline 2: jedoch 320 Zellen im Umfang Serrated 1/ Serrated 2: 20 Zähne im Umfang, Zellen pro Zahn, 320 Zellen im Umfang Identische axial-radiale Punkteverteilung außer am Düsenrand bei Serrated 2 und Baseline Oben links Geomtrie mit Serrations in Abstimmung mit RollceRoyce Baseline-Geometrie genauso nur ohne Serrations Rechts oben: Gitter im Querschnitt; Zellen konzentrieren sich im Bereich der Scherschicht und im Freistrahlgebiet Rechts unten: Detailansicht des Gitters bei den Serrations 22. Nov. 2007 Statusseminar NASGeT, LEXMOS & FREQUENZ, Frankfurt/Main

4 DES Ergebnisse: Baseline/Serrated 2
Visualisierung der turbulenten Strukturen mittels Isoflächen von 2 Baseline Periodische Ringwirbelbildung, Transition Große Strukturen in äußerer Scherschicht Geringe Vermischung in Düsennähe Stabile innere Scherschicht. Serrated 2 Zahnwirkung: sofortige Turbulenzbildung Kleine Strukturen in äußerer Scherschicht Starke Vermischung in Düsennähe Verdickung äußerer Scherschicht Teilweise können Effekte aber auch mit in Umfangsrichtung gröberen Gitter begründet werden !! 22. Nov. 2007 Statusseminar NASGeT, LEXMOS & FREQUENZ, Frankfurt/Main

5 DES Ergebnisse: Baseline/Serrated 2
Zeitliche Entwicklung der Druckschwankungen entlang einer Linie in der äußeren Scherschicht X/D=0 - 5 Druck auf Linie in der äußeren Scherschicht, verdeutlicht das eben bereits Gezeigte In der Zeit (vertikale Linie zB x/D=1) sehr regelmäßiges Verhalten bei Baseline Gleiche Position bei Serrated 2, mehr irregulär -> Serrations erzeugen/beschleunigen Transition -> voll turbulentes Verhalten Baseline Serrated 2 Periodische Bildung von Ringwirbeln Transition, Strukturen mit geringer Frequenz Stärkere Schwankungen Sofortige Turbulenzbildung Geringere Schwankungen 22. Nov. 2007 Statusseminar NASGeT, LEXMOS & FREQUENZ, Frankfurt/Main

6 DES Ergebnisse: Baseline/Serrated 2
Overall Sound Pressure Levels (OASPL) Oben links: FWH-Fläche mit Vorticty Darunter: Druckschwankungen, zeigen Hauptschallabstrahlrichtung bei so 30 grad und stromauf Hauptbild: Directivty des Fernfeldschalls, sehr gute Übereinstimmung Baseline (3dB) Baseline: Übereinstimmung von der numerischen Ergebnissen und Messdaten Serrated 2: - Simulierte Zeit zu kurz - Keine endgültige Aussage, aber Tendenz zur Lärmminderung 22. Nov. 2007 Statusseminar NASGeT, LEXMOS & FREQUENZ, Frankfurt/Main

7 Abgeschlossene und geplante Simulationen Gitter (Zellen) RANS DES
Baseline 9 Mio. Abgeschlossen Serrated 1 26 Mio. Entfällt Serrated 2 Größtenteils abgeschlossen RANS: ausgewertet DES: z.T. ausgewertet/in Auswertung Vergleich mit experimentellen Daten steht noch aus (statist. Daten) Basierend auf den bestehenden Ergebnissen: J. Yan, L. Panek and F. Thiele; Simulation of Jet Noise from a Long-cowl Nozzle with Serrations; AIAA , 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 22. Nov. 2007 Statusseminar NASGeT, LEXMOS & FREQUENZ, Frankfurt/Main

8 Statusseminar NASGeT, LEXMOS & FREQUENZ, Frankfurt/Main
DES Methode DES (Detached Eddy Simulation) Hybrider Ansatz, vereint URANS (wandnähe) und LES (sonst) LDES -- Gitterabhängiges Längenmaß Basiert auf standard DES Formulierung für 2-Gleichungsmodelle Modifikation der Gitterweite  führt zu Verringerung der modell. turbul. kin. Energie und der turb. Viskosität { LRANS > CDES Δ  LES mode LRANS < CDES Δ  RANS mode LDES=min(LRANS,CDES ) Notwendigkeit der Reduktion von  bzw. t auch in anderen Arbeiten: Andersson (2003, 2005) LES,  aus cubic root oder sogar min(x, y, z) Shur, Strelets ILES, ohne Modell Wesentliche Punkte: - Längenmass wird durch kleineres Längenmass ausgetauscht, dadurch weniger turb. Viskosität und mehr Dissipation auch weniger Produktion weil Viskosität kleiner - Verringerte Viskosität ist Kernpunkt vieler neuerer Simulationen bei hohen Re, siehe Andersson und Shur, Strelets - darum Test bei unserem Fall 22. Nov. 2007 Statusseminar NASGeT, LEXMOS & FREQUENZ, Frankfurt/Main

9 DES, Einfluss Gittermaßdefinition
Vergleich der Wirbelstrukturen und des Viskositätsverhältnisses t/ bei verschiedenen Definitionen von , Baseline-Konfiguration Dargestellt sind 2 Simulationen: Dritte Wurzel Volumen (hinten) und Gittermass Delta aus Min(dx,dy,dz) Mittels Lambda2-Wirbelkriterium-Isoflächen, die Farbe ist das Viskositätsverhältnis, rot: starke modellierte Visk. Blau kleinere modellierte Visk. Start bei gleichen Zeitschritt/Restart, sofort Visk. bei Min( kleiner), Strukturen noch gleich 22. Nov. 2007 Statusseminar NASGeT, LEXMOS & FREQUENZ, Frankfurt/Main

10 DES, Einfluss Gittermaßdefinition
Vergleich der Wirbelstrukturen und des Viskositätsverhältnisses t/ bei verschiedenen Definitionen von , Baseline-Konfiguration Wie davor, jedoch 6 konvektive Zeiteinheiten spaeter, deutliche Aenderung der Strukturen bei Min(), Auswirkung auf die Akustik bleibt abzuwarten Erwarten höhere Frequenzen im Fernfeld durch kleinere Strukturen 22. Nov. 2007 Statusseminar NASGeT, LEXMOS & FREQUENZ, Frankfurt/Main

11 Zusammenfassung/Weitere Arbeiten
Baseline: Fernfeldvorhersage zeigt gute Übereinstimmung mit dem Experiment Serrated 2: Fernfeldvorhersage zeigt Tendenz der Lärmreduktion Veränderung der turbulenten Strukturen lassen sich mit Einfluss der Zähne begründen, aber auch teilweise mit dem gröberen Gitter beim Baseline-Fall Untersuchung des Einfluss des Turbulenzmodell wurde begonnen Sehr starker Modelleinfluss auf die turbulenten Strukturen Einfluss auf Schallfeld noch ungeklärt Weitere Arbeiten in FREQUENZ Detailierter Vergleich mit den experimentellen Daten im Strömungsfeld (TKE usw.) Beenden der Simulation Serrated 2 (26M) zur Verbesserung der Statistik Berichtslegung Fortsetzung der Arbeiten in Verlängerungsphase Fortsetzung der Simulation mit geänderten Modell (BaselineMIN) um Einfluss auf das Strömungsfeld und auf das vorhergesagte Schallfeld zu untersuchen Durchführung der Simulation Baseline26 zur Klärung des Gittereinflusses 22. Nov. 2007 Statusseminar NASGeT, LEXMOS & FREQUENZ, Frankfurt/Main

12 Statusseminar NASGeT, LEXMOS & FREQUENZ, Frankfurt/Main
Ende Danke für Ihre Aufmerksamkeit! 22. Nov. 2007 Statusseminar NASGeT, LEXMOS & FREQUENZ, Frankfurt/Main

13 DES, Einfluss Gittermaßdefinition
Vergleich der Wirbelstrukturen und des Viskositätsverhältnisses t/ bei verschiedenen Definitionen von , Baseline-Konfiguration 22. Nov. 2007 Statusseminar NASGeT, LEXMOS & FREQUENZ, Frankfurt/Main

14 Statusseminar NASGeT, LEXMOS & FREQUENZ, Frankfurt/Main
Detached Eddy Simulation (DES) for Jet Noise Prediction 22. Nov. 2007 Statusseminar NASGeT, LEXMOS & FREQUENZ, Frankfurt/Main

15 Statusseminar NASGeT, LEXMOS & FREQUENZ, Frankfurt/Main
Jet Noise Prediction Problems: Very thin shear layer, grid cells strongly stretched Difficult to resolve very small structures behind the nozzle lip Inclusion of upstream nozzle geometry Statistic acoustic model in combination with RANS still in the development DNS, LES for serrated nozzle? 22. Nov. 2007 Statusseminar NASGeT, LEXMOS & FREQUENZ, Frankfurt/Main

16 DES for Jet Noise Prediction
Problem by the standard DES formulation 1. “grey area” problem, see AIAA 2. maximum formulation of =max(1, 2, 3) as the grid filter width in the DES length scale  too large modelled eddy viscosity 3. problem known as “modelled stress depletion” (MSD), leading to “grid induced separation” (GIS) (1, 2) ~ DES formulation studied by Yan et al. 2005 ~ Cubic root formulation of =(1 2 3) 1/3 used as grid filter width in the DES length scale (3) ~ Shield function against the problem of “modelled stress depletion’’ 22. Nov. 2007 Statusseminar NASGeT, LEXMOS & FREQUENZ, Frankfurt/Main

17 DES for Jet Noise Prediction
DES investigations with respect to the jet noise prediction in ISTA: New DES formulation: DES length scale is substituted not only in the turbulent kinetic energy equation but also in the expression of turbulence eddy viscosity. Investigation of Alternative Length Scale Substitutions in Detached-Eddy Simulation J. Yan, C. Mockett & F. Thiele. J. Flow, Turbulence and Combustion. 74:85-102, 2005 Effect of grid filter widths and model performance. Modeling and Simulation of Coaxial Jet Flow. J. Yan et al. 5th International Conference for Fluid Mechanics, 15-19, August, 2007, Shanghai, China New DES formulation + shield function. Computation of Jet Noise using a Hybrid Approach. J. Yan et al. AIAA 22. Nov. 2007 Statusseminar NASGeT, LEXMOS & FREQUENZ, Frankfurt/Main

18 Statusseminar NASGeT, LEXMOS & FREQUENZ, Frankfurt/Main
RANS Ergebnisse Konturen der TKE Baseline als Referenz Baseline Serrated 1 Keine Änderung der Austrittsfläche Geringer Einfluss auf Strömungsfeld Serrated 1, Schnitt durch Aussparung Serrated 2 Effektive Austrittsfläche reduziert Geschwindigkeitsverteilung deutlich beeinflusst Gesamtpegel der TKE niedriger über den gesamten Potentialkern Serrated 2, Schnitt durch Aussparung Serrated 2, Schnitt durch Zahnmitte 22. Nov. 2007 Statusseminar NASGeT, LEXMOS & FREQUENZ, Frankfurt/Main

19 RANS Ergebnisse TKE auf Symmetrieachse
TKE-Konturen für verschiedene axiale Schnittebenen Axiale Geschwindigkeit auf Symmetrieachse Potentialkernlänge von ca. 11 D für alle Fälle Serrated 1: sehr geringer Einfluß auf das Strömungs- feld, Geometrie aus weiteren Untersuchungen ausgeschlossen Serrated 2: deutlicher Einfluß, weitere Untersuchung 22. Nov. 2007 Statusseminar NASGeT, LEXMOS & FREQUENZ, Frankfurt/Main

20 DES Ergebnisse: Baseline/Serrated 2
Visualisierung der turbulenten Strukturen mittels Isoflächen der Dichte Potentialkernlänge von ca. 8 D für beide Fälle Strukturen in der äußeren Scherschicht beeinflussen die innere Scherschicht deutlich früher im Fall von Serrated 2 Aufbrechen der inneren Strukturen beim Baseline Fall ist deutlich schnell Baseline Serrated 2 22. Nov. 2007 Statusseminar NASGeT, LEXMOS & FREQUENZ, Frankfurt/Main

21 DES Ergebnisse Druckschwankungen in X-Y Ebene:
sichtbare Schallausbreitung 22. Nov. 2007 Statusseminar NASGeT, LEXMOS & FREQUENZ, Frankfurt/Main

22 Validation of DES for Jet Noise Prediction
Effect of grid filter widths and model performances New DES formulation New DES formulation Standard DES formulation Instantaneous isosurface of density showing flow structures in the shear layer. Top: between the primary and secondary streams, bottom: between the secondary stream and surrounding flow Maximum formulation as grid filter width cannot resolve jet flow Cubic root formulation can resolve jet flow, new DES formulation has better resolution 22. Nov. 2007 Statusseminar NASGeT, LEXMOS & FREQUENZ, Frankfurt/Main

23 Shield Function and Convective Scheme
Simple shield functions f = [0, 1] (if d>CDES  then 0 else 1) or f = max(0,1-(CDES /d)4) Expression of DES length scale in combination with a shield function LDES = LRANS – max(0,LRANS-CDES )*f Hybrid convective scheme F =  FTVD + (1-  ) FCDS Blending function  = 3 with  = min(1.0, CDES /d), d wall distance Limit  = max(0.05 ~ 0.1, ) TVD too dissipative, 1 denotes TVD (Total Variation Diminishing) 0 denotes CDS (Central Difference Scheme) 22. Nov. 2007 Statusseminar NASGeT, LEXMOS & FREQUENZ, Frankfurt/Main

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Prediction Procedure RANS provides initial field Hybrid RANS/LES approach (DES) provides the unsteady flow field including data for noise prediction Far-field noise prediction by Ffowcs-Williams & Hawkings’s method Far field pressure time series for further analysis as Spectral decomposition Azimuthal decomposition Noise directivity 22. Nov. 2007 Statusseminar NASGeT, LEXMOS & FREQUENZ, Frankfurt/Main

25 Statusseminar NASGeT, LEXMOS & FREQUENZ, Frankfurt/Main
Validation of DES for Jet Noise Prediction Industrial nozzle Noise reduction by using serrations grid overview baseline nozzle a generic short-cowl nozzle serrated nozzle block structure on the cone tip 22. Nov. 2007 Statusseminar NASGeT, LEXMOS & FREQUENZ, Frankfurt/Main

26 Validation of DES for Jet Noise Prediction
Overall Pressure Sound Levels (OASPL) standard formulation new formulation Cubic root formulation reproduces satisfactory OASPL Standard formulation overpredicts OASPL, while new DES formulation is more similar to the LES prediction of Andersson et al, where 20 million cells were used. 22. Nov. 2007 Statusseminar NASGeT, LEXMOS & FREQUENZ, Frankfurt/Main

27 Validation of DES for Jet Noise Prediction
Far-field Spectral Analysis Low frequencies are overpredicted by standard DES formulation (approach2) High frequencies are better resolved by new DES formulation (approach 3) New DES formulation has better resolution than standard one 22. Nov. 2007 Statusseminar NASGeT, LEXMOS & FREQUENZ, Frankfurt/Main

28 Statusseminar NASGeT, LEXMOS & FREQUENZ, Frankfurt/Main
Das Thema ist hochaktuell !!! 22. Nov. 2007 Statusseminar NASGeT, LEXMOS & FREQUENZ, Frankfurt/Main

29 Abgeschlossene und geplante Simulationen Gitter (Zellen) RANS DES
Baseline 9 Mio. Abgeschlossen Serrated 1 26 Mio. Entfällt Serrated 2 Größtenteils abgeschlossen Baseline26 Geplant (2008) BaselineMIN wie Baseline Begonnen RANS: ausgewertet DES : z.T. ausgewertet/in Auswertung Basierend auf den bestehenden Ergebnissen: J. Yan, L. Panek and F. Thiele; Simulation of Jet Noise from a Long-cowl Nozzle with Serrations; AIAA , 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 22. Nov. 2007 Statusseminar NASGeT, LEXMOS & FREQUENZ, Frankfurt/Main