Übersicht Aeroakustische Simulationsverfahren

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1 Übersicht Aeroakustische Simulationsverfahren Jan Delfs Institut für Aerodynamik & Strömungstechnik Technische Akustik TEA Braunschweig Lars Enghardt Institut für Antriebstechnik Triebwerksakustik TRA Berlin

2 Schallquellen am Verkehrsflugzeug Tragflügel Triebwerke Fahrwerke Flugzeugrumpf Landeklappen Leitwerke Strahl-Klappen- Wechselwirkung Strahllärm Reflexion Strahllärm am Flügel Bildquelle: Wikimedia Commons

3 Aeroakustische Simulationswerkzeuge DLR - Triebwerke - Schallerzeugung & Ausbreitung (Numerik) DES 4D stochastic Perturb. Eqns. FW-H urans source model LEE/APE TRACE FRPM/PIANO PIANO C3D-FWH Fortschrittliche Analyseverfahren XTPP RMA Semi-analytische/-empirische Vorhersageverfahren CROR, Fan & Verdichter Triebwerksgeräusche (Fan, Kompressor, Turbine, Strahl) PROPNOISE HEIDI

4 Aeroakustische Simulationswerkzeuge DLR - Umströmungsgeräusch- und Installationseffekte - Schallerzeugung an Flugzeugkomponenten & Abstrahlung: DES 4D stochastic Perturb. Eqns. FW-H urans source model LEE/APE/NLDE TAU FRPM PIANO/DISCO++ APSIM+ akustische Installationseffekte am Gesamtflugzeug: FM-BEM ray tr. Semi-empirisches Vorhersageverfahren Umströmungsschall: PROFAN

5 Neue CAA Konzepte Kombination von FRPM und FM-BEM zu sehr schneller nicht-empirischer CAA Simulation (Umströmungslärm kompletter Flügel Lufo4 COMPANOS) verallgem. Störungssimulation: Eddy-Relaxations-Methode LEE + Relaxationsquellterm APE DISCO APE PIANO Messung - LLF Messung LLF LEE/eddy-relaxation PIANO Vorflügelgeräusch F15LS

6 Zusammenfassung Direkte numerische Simulation selten möglich nur für kleine Re Skalen-auflösende Simulation von strömungsinduziertem Schall aufwändig Fast ausschließlich hybride Konzepte: 1. Strömungsquelle (direkt oder indirekt aus CFD) 2. Akustiksimulation (APE/LEE, und/oder FW-H bzw. Fast Multipole BEM) Erfolgreiche Modellansätze für turbulente Strömungen/ Turbulenz bei hohen Re-Zahlen für Entwurfsaufgaben Vielfach Vorhersagemethoden für problemspezifische Ansätze Semi-analytische Tools für Trends erfolgversprechend zur Vorauslegung und Optimierung Weiterhin großes Potenzial numerischer Simulation in Aeroakustik Belastbare, qualitativ hochwertige Validierungsexperimente wichtig!

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8 Modellierung FRPM: Fortschrittliche stochastische Modellierung turbulenzbedinger Schallquellen inkl. Konvektions- und Dekorrelationsprozessen basierend auf Standard CFD input (RANS) Weiterentwicklung zu stochastisch erregter Großskalen-Wirbelsimulation CFD (u)rans CAA APE/LEE Schallfeld/ Oberflächendruckflukt. Stochastische Turbulenz (FRPM) Entwicklung von erweiterten Modellen für anistrop-gradierte poröse Materialien zur Vorhersage quellseitiger Lärmminderung

9 PIANO (CAA Basiscode) hochauflösender CAA Code zur Lösung von Störungsgleichungen (LEE, APE, NLPE) blockstrukturiert 4.Ordn., auch spektral in Azimuthalmoden zerlegt Status: * 2D/3D, inkl. absorb. Oberflächen, Schallstreuung in Turbulenz * Einsatz für aero-akustische Entwurfsstudien Materialmodelle für strömungsdurchlässige Materialien (SFB880) Kernpartner: DLR (AT, VT), Airbus, RRD, TUBS, AGI, AIA, ISVR, TUM Anwendungen: Umströmungslärm, Strahllärm, Verbrennungslärm, Installationsquellen, Breitband-Lüftergeräusch, Kabinenlärmanregung (Oberflächendruckschwankungen) Ausbreitungseffekte: Refraktion/Streuung, solide porös

10 DISCO++ (CAA Code der zweiten Generation für komplexe Geometrien) hochauflösender CAA Code zur Lösung von Störungsgleichungen (LEE, APE) hybride Gitter: unstrukturiert DG nahe Geometrien, cartes. FD in Fernfeld 4 Ordnung, MPI parallel Status: * 2D: derzeit Implementierung in Hochauftriebsentwurfskette Airbus * 3D erste Simulationen an komplexen Geometrien erfolgreich hybrides Gitter Anwendung: Seitenkantengeräusch

11 Semi-empirische Umströmungsgeräusch-Vorhersage PROFAN empirisches Modell, basierend auf Physik & vollskaligen WK Daten theoretische Approximation von Lockard und Lilley Physik-basiertes Modell validiert und empirisches skaliert mit Modell basierend modell-/vollskaligen auf Physik WK Daten und modellskaligen WK Daten Input: Aircraft components geometry Aircraft configuration Flight speed and trajectory voll-empirisches Modell Clean airframe Calculation of components noise characteristics Landing gears Slats with effect of Fowler flaps Flap side edges Spoiler Output: Cruise configuration Output: Cruise config. with landing gears Output: High lift devices Output: High lift devices with landing gears = In progress

12 Fast Multipole Boundary Element Code FM-BEM Lösung der (konvektiven) Wellengleichung (geeignet für kleine / schlanke Körper) typische Problemgröße: : Systemmatrix benötigt Sequoia Blue/Gene/Q: Enabler für vollskalige akustische Simulationen extrem schneller Algorithmus zur Lösung akustischer Integrale: Keine Speicherung der Systemmatrix CROR Pegelkontur 120m unterhalb LNA und konventionellem Flugzeug

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14 TRACE-uRANS eines UHBR-Fans - Extraktion der CFD-Daten - Interpolation auf das CAA-Gitter - Extraktion der CFD-Daten - Trennung Akustik/ Aerodynamik - Rekonstruktion der Schallquelle im CAA-Gebiet Druckfeld bei BPF 2

15 Berechnung eines Freistrahls mittels TRACE-DES - Identifikation schallverursachender Strömungsbereiche - Vergleich mit Geschwindigkeits- und Schalldruckmessungen - Verbesserung der Vorhersagegenauigkeit - Rechenzeit: 1,4 Mio. CPU-Stunden - Simulation: Jens Wellner, AT-NUM DLR-Projekt SAMURAI

16 Attila Wohlbrandt Institute for Propulsion Technology, Department Engine Acoustics, German Aerospace Center (DLR), Berlin, Germany Method 1. RANS computation with TRACE (DLR) 2. frpm: Synthetic turbulence generation via filtering of stochastic white noise [Ewert et al. 11] 3. Realization of Von Karman spectrum by superposition of Gaussian-filtered stochastic fields 4. Coupling to time-domain, time-linearized CAA code PIANO (DLR) [Wohlbrandt et al. 13] Method Resolution No. points Computational time CFD 300k 250 CPUh (42h, 6 procs) frpm CAA Δ x < Λ /20, 10 filters Δ x near < Λ /20 Δ x far < λ 10kHz /10 160k (800k particles) 1.6M, CFL CPUh (75h, frpm 1 proc, CAA 7 procs) Assumptions - Only inflow-turbulence airfoil interaction noise - 2D (in principle the method is applicable to 3D) - RANS with inviscid wall (Boundary layer neglected) - CAA: Mean flow gradients in shear layer neglected [Ewert et al. 09] - 2D to 3D correction applied [Ewert et al. 08]

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18 Simulationstool PropNoise: Struktur stand-alone PropNoise RANS-informed PropNoise engine and fan design meanline approach steady aero. unsteady aero. 3D RANS solution extraction of flow and geometry radial extrapolation extrapolation of wake and potential field acoustic model

19 Practical application of PropNoise for design studies - MTU / CLAIRE2 - DNW / NWB - DNW / LLF NWB-Rotor neuer Stator neuer Stator