Aeroakustische Untersuchung des gekapselten Hubschrauber-Heckrotors für den Vorwärtsflugzustand

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1 Technische Universität München Aeroakustische Untersuchung des gekapselten Hubschrauber-Heckrotors Simulation und Validierung bei Strömungsschallproblemen in der Luftfahrt, Fahrzeug- und Anlagentechnik November 2011, Berlin Dipl.-Ing. Jae Hun You, Dr.-Ing. habil. Christian Breitsamter Technische Universität München

2 Inhalt Einleitung Fenestron Problemstellung Hybrider Ansatz Numerische Strömungssimulation Simulationseinstellung Ergebnis aus CFD Numerische Schallausbreitungsberechnung Validierung des hybriden Ansatzes Simulationseinstellung Ergebnis aus CAA Zusammenfassung und Ausblick 2

3 Fenestron Gekapselter Hubschrauber-Heckrotor Fenestron Innovatives Heckrotor-Konzept: Mantelpropeller mit Rotor und Stator für Drehmomentausgleich Quelle: Eurocopter Geringere Blattbelatung durch mehr Rotorblätter Bessere Betriebssicherheit Höhere Sicherheit für Personen am Boden Schutz des Rotors bei Bodenkontakt Reduzierung des Betriebslärms Akustische Abschirmung durch die Kapselung Variierte Blattverteilung G. Niesl et al., Low noise design of the EC 135 helicopter 3

4 Problemstellung Motivation Hochkomplexes Strömungsfeld des Fenestrons Wechselwirkung zwischen Rumpfablösung und Fan Eintrittsstörung am Fan Rotor Stator - Interaktion Auswirkung auf die Schallentstehung Ziel dieser Arbeit Strömungsberechnung und Analyse des Fenestrons Numerische Untersuchung der Schallausbreitung Untersuchung der Schallentstehungsmechanismen Identifikation der Schallquellen Validierung der Simulationswerkzeuge Hybrider Ansatz Quelle: Eurocopter 4

5 Hybrides CAA-Verfahren Vorgehensweise der Arbeit: Hybrider Ansatz (SST-URANS + FW-H) Numerische Strömungssimulation Instationäre, kompressible Simulation URANS mit k-ω-sst ANSYS CFX p(t) ρ u,v,w Akustische Berechnung Ffowcs Williams und Hawkings (FW-H) In-House Code (Uni Erlangen, Python) p (t) Schallemissionsprognose Nah / Fernfeld FFT - Analyse 5

6 Inhalt Einleitung Fenestron Problemstellung Hybrider Ansatz Numerische Strömungssimulation Simulationseinstellung Ergebnis aus CFD Numerische Schallausbreitungsberechnung Validierung des hybriden Ansatzes Simulationseinstellung Ergebnis aus CAA Zusammenfassung und Ausblick 6

7 Numerische Strömungssimulation Hubschraubermodell mit Fenestron Leichter Transporthubschrauber (1:1) Fenestron: 10 Rotorblätter (ungleichmäßig) 11 Statorblätter (gleichmäßig) Ohne Hauptrotor Rumpf Netzaufbau Blockstrukturierte Netze: 3400 Blöcke Domain / Rumpf 11.8 x 10 6 Zellen Stator 3.1 x 10 6 Zellen Rotor 12.4 x 10 6 Zellen Faneintritt Fanaustritt Rotorblatt 7

8 Numerische Strömungssimulation Simulationseinstellung Vorwärtsflug: U = 62,5 [m/s], α = -2 [ ], β = 0 [ ] Re = 4,1 x 10 6 Kompressibel: Ma > 0,5 (an der Blattspitze) Sliding Mesh-Methode Numerischer Zeitschritt Δt S = 4,7 x 10-5 [s] Δθ = 1 [ ] LRZ-Hochleistungsrechner (HLRB II / SuperMuc) U Validierung der Simulation Skaliertes Modell (1 : 7) U = 40 [m/s], α = -2 [ ] Re 1/7 = 3,6 x 10 5 Geschlossenes Fenestron Windkanalexperiment Instationäre Druckmessung am Heck 8

9 Ergebnis der Strömungssimulation Strömungstopologie (URANS) Identifizierung der dominanten Wirbelstrukturen Q-Kriterium: Q = 6000 [1/s 2 ] Isoflächen eingefärbt mit Wirbelstärke ω Hub-Fairing-Wirbel Hub-Fairing-Wirbel Rumpfablösungen Hinterkantenablösung des hor. Stabilisators Heckablösungen Ablösung vom vert. Stabilisator 9

10 Ergebnis der Strömungssimulation Strömungstopologie (URANS) Identifizierung der dominanten Wirbelstrukturen Q-Kriterium: Q = 6000 [1/s 2 ] Isoflächen eingefärbt mit Wirbelstärke ω Faneintritt Ablösung an der Eintrittslippe Ablösung an der Rotornabe 10

11 Inhalt Einleitung Fenestron Problemstellung Hybrider Ansatz Numerische Strömungssimulation Simulationseinstellung Ergebnis aus CFD Numerische Schallausbreitungsberechnung Validierung des hybriden Ansatzes Simulationseinstellung Ergebnis aus CAA Zusammenfassung und Ausblick 11

12 Validierung des hybriden Ansatzes Fan-in-Wing Konfiguration Fan-in-wing Strömungstopologie Position der Messpunkte Integrationsfläche BMW Akustikwindkanal (München) BPF 12

13 Simulationssetup Integralfläche und Beobachtungspunkten Integrationsflächen, zwei Halbkugeln (D=1,28 [m]) Akustischer Zeitschritt: Δt A = 3 x Δt S = 1,41 x 10-4 [s] 5 Umdrehungen des Rotors t Total = 0,0846 [s] 11,82 [Hz] Beobachtungspunke: senkrecht zur Rotorebene OP 10 ψ = 240 OP11 ψ = 300 OP 9 ψ = 180 OP 15 ψ = 150 OP 4 ψ = 0 6m OP 2 ψ = 120 OP 3 ψ = 60 13

14 Ergebnis der Akustiksimulation Sinusförmige Modulation: θ = θ + θ sin( i i ν = mω Ω = 59,74 Hz m i θ ) Ω BPF ν = 119,51 Hz θ 5 θ 4 θ 3 θ 2 Ω BPF ν = 119,51 Hz θ 6 θ 1 Seitenbänder Seitenbänder 14

15 Richtungscharakteristika Rotorblatt Wirbel - Interaktion BPF Rotor Stator Interaktion f RS = 11 x Ω Seitenbänder Seitenbänder vergrößert

16 Richtungscharakteristika Seitenband f 1 = 477,8 [Hz] f = 3000 [Hz] 16

17 Zusammenfassung Hybrider Ansatz Kombination von SST-URANS mit FW-H Verfahren Methode wurde validiert mit der Fan-in-Wing Konfiguration Numerische Strömungssimulation Komplexe Strömungstopologie am Fenestron Rumpfablösungen Eintrittsstörungen am Faneinlauf Rotorblatt Wirbel Interaktion Schallemissionsprognose Sinusförmige Modulation Ungleichmäßige Verteilung der Rotorblätter Entstehung der Seitenbänder Gute Übereinstimmung mit der analytischen Lösungen 17

18 Ausblick Geplante und laufende Simulationen - Schwebeflugzustand - Vorwärtsflugzustand SST - Turbulenzmodell SAS - Turbulenzmodell - Analyse mit TUM-Lehrstuhl f. MMK: Psychoakustische Untersuchung 18

19 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 19

20 Ergebnis der Strömungssimulation Strömungstopologie (URANS) Identifizierung der dominanten Wirbelstrukturen Q-Kriterium: Q = 6000 [1/s 2 ] Isoflächen eingefärbt mit Wirbelstärke ω Fanaustritt 20

21 Anhang

22 Richtungscharakteristika

23 Anhang Druckpegel, auf dem Rotor L1, äußerer Kreis C3 Faneintritt (360 ) 300

24 Anhang Druckpegel, auf dem Rotor L1, mittlerer Kreis C2 Faneintritt (360 ) 300

25 Anhang Druckpegel, auf dem Rotor L1, innerer Kreis C1 Faneintritt (360 ) 300

26 Anhang

27 Anhang SPL comparison at the 1 st BPF for all observer points (U = 40 m/s, N = 26,200 rpm α = 0 ) 27