CFD-Simulation von Tonal- und Breitbandlärm als Folge u.a. von Schaufelschwingungen in Triebwerken

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1 Folie 1 CFD-Simulation von Tonal- und Breitbandlärm als Folge u.a. von Schaufelschwingungen in Triebwerken Simulation von Vibration und Schall im Verkehrswesen Graham Ashcroft Numerische Methoden Institut für Antriebstechnik DLR, Köln

2 Folie 2 Gliederung - Einleitung - Fokus der Arbeit - Numerische Methoden zur Simulation von Lärm - Räumliche Diskretisierung - Zeitliche Diskretisierung - Randbedingungen - - Tonallärm - Breitbandlärm - Zusammenfassung

3 Folie 3 Einleitung Fokus der Arbeit CFD-Simulation von Triebwerksströmungen - Weiterentwicklung des DLR CFD-Verfahrens TRACE (Turbomachinery Research Aerodynamics Computation Environment) - Numerische Lösung der Navier-Stokes-Gleichungen (URANS) - Akustik als Teil der (instationären) Lösung - Fokus: Lärmentstehung und Transmission

4 Folie 4 Numerische Methoden zur Simulation von Lärm Räumliche Diskretisierung Effiziente Diskretisierungsschemata im Raum - Effizientere Nutzung eines Rechennetzes - Verbesserte Genauigkeit bei niedriger Auflösung - Unstrukturierte Netze - Discontinuous Galerkin - Netzadaptivität, Fehlerschätzung - Strukturierte Netze - Wellenzahloptimierte Verfahren - (W)ENO, OMUSCL2

5 Folie 5 Numerische Methoden zur Simulation von Lärm Zeitliche Diskretisierung Zeitbereichsverfahren - Implizite Runge-Kutta-Verfahren - Zeitintegrationsverfahren höherer Ordnung - Gute Stabilitätseigenschaften - Integrierte Fehlerabschätzung - Quantifizierung der Zeitintegrationsfehler - Zeitschrittweitenbestimmung Frequenzbereichsverfahren - Klassische linearisierte Verfahren - Schwingungsfrequenz bekannt - Schwingungsamplitude klein - Moderne nicht-lineare Verfahren - Harmonic-Balance-Verfahren - Schwingungsfrequenzen bekannt und deren Anzahl begrenzt - Kopplung der Harmonischen limitiert

6 Folie 6 Numerische Methoden zur Simulation von Lärm Randbedingungen Nichtreflektierende Randbedingungen - Vorschreiben der externen physikalischen Bedingungen (statische Druck, usw.) - Transparent für alle auslaufenden Wellen (Akustik, Entropie, Wirbel) - Vorschreiben von einlaufenden Störungen ARTIFICIAL COMP. BOUNDARY

7 Folie 7 Wirbel-Festkörper Wechselwirkung Zylinder-Tragflügel Konfiguration - Breitbandlärm Testfall - Subsonische Strömung - Verfügbare Messdaten: - Strömung (PIV und Hitzdraht) - Akustik (Nah- und Fernfeld) Nachrechnungen - Nahfeld mit TRACE - Herkömmliches Turbulenzmodel (k-ω) - Höherwertiges Turbulenzmodel (DES) - Fernfeld anhand der Ffowcs-Williams und Hawkings (FW-H) Gleichung

8 Folie 8 Wirbel-Festkörper Wechselwirkung 3 Mio. Gitterpunkte, 64 Blöcke

9 Folie 9 Wirbel-Festkörper Wechselwirkung URANS - Tonallärm: gut wiedergegeben - Breitbandlärm: nicht modelliert

10 Folie 10 Wirbel-Festkörper Wechselwirkung Skalenauflösende Simulation (DES) - Tonal- und Breitbandlärm: gut wiedergegeben

11 Folie 11 Fan Breitbandlärm Skalenauflösende Simulation - Rechengebiet - Eine Rotor- und eine Stator-Passage - Direktperiodisch - Rechennetz - 100x10 6 Zellen in1100 Blöcke - Span aufgelöst mit 600 Zellen - Low-Reynolds - Rechenzeiten - 8 Wochen Rechenzeit auf 304 Kernen (38 Knoten x 2 CPUs x 4 Kerne) - 2 Terabyte Daten - 30 Perioden (@ BPF) Rechengebiet und Blockstruktur Turbulente Wirbelstrukturen

12 Folie 13 Fan Tonallärm Rotor-Stator-Interaktion - Transsonischer Verdichter - Berechnung der Lärmentstehung und Transmission - Zeitbereich - IRK-Verfahren mit PhaseLag - Eine instationäre Rechnung - Frequenzbereich - Linearisierter Löser - Mehre lineare Rechnungen 1) Lärmentstehung 2) Lärmtransmission 3) Lärmreflektion 4) Lärmtransmission - Eine Größenordnung schneller als die Zeitbereichsrechnung UHBR Fan Rig UHBR Fan: Rechengebiet

13 Folie 14 Fan Tonallärm Rotor-Stator-Interaktion Zeitliche Entwicklung des Strömungfeldes Zeitliche Entwicklung des Stördruckfeldes

14 Folie 15 Tonallärm Schaufelschwingungen - Torsionsmode - Aeroelastik Verdichtergitter: Rechengebiet und Netztopologie Isentrope Machzahl-Verteilung Akustikfeld (Stördruck) Aerodynamische Dämpfung

15 Folie 16 Zusammenfassung - Voraussetzungen für die effiziente Berechnung von Tonallärm mit CFD: - Optimierte räumliche Diskretisierungsverfahren - Robuste Zeitintegrationsverfahren höherer Ordnung - Hochwertige nichtreflektierende Randbedingungen (2D/3D) - Fernfeldausbreitungsverfahren - Die Berechnung von Breitbandlärm mittels CFD noch Forschungsthema: - Rechenaufwand noch zu hoch für industrielle Anwendung - Notwendige (numerische) Randbedingungen nicht vorhanden - Forschungsthemen - Einbindung von Akustik im (automatisierten) Designprozess (AutoOpti) - Optimierte Diskretisierungsverfahren - Randbedingungen - Steigerung der Robustheit der numerischen Verfahren - Automatische Fehlerschätzung mit Korrekturverfahren