Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3010
Main Title: Simulation und Modellierung der tonalen Schallausbreitung in Nebenstromkanälen von Flugtriebwerken
Translated Title: Simulation and modelling of tonal noise propagation through bypass channels of aero-engines
Author(s): Panek, Lukasz
Advisor(s): Thiele, Frank
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät V - Verkehrs- und Maschinensysteme
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Flugzeugtriebwerke sind eine der dominanten Quellen von Fluglärm. Sie haben seit ihrem ersten Einsatz eine beachtliche Entwicklung erfahren, die zur Steigerung ihrer Effizienz und gleichzeitig zur Reduktion des abgestrahlten Lärms geführt hat. Der Ursprung dieser Entwicklung liegt in der Einführung der Bypass-Bauweise, bei der der Großteil des Schubs nicht vom Kerntriebwerk, sondern vom außen liegenden Gebläse (engl. fan) erzeugt wird. Diese am Kerntriebwerk vorbeigeleitete Luft wird durch den Bypass-Kanal nach außen geleitet. Durch die Vergrößerung der Freistrahlfläche konnte bei gleichbleibendem Schub die Austrittsgeschwindigkeit verringert werden. Die Maßnahme führt nach den Grundgesetzten der Strömungsakustik zur deutlichen Reduktion des Freistrahllärms. Diese Entwicklung führt jedoch durch den steigenden Durchmesser des Bläsers zu neuen Lärmquellen tonaler Art. Der hauptsächlich durch die Rotor-Stator-Interaktion entstehende tonale Schall mit einem diskreten Spektrum kann in Form von Rohrmoden stromauf durch den Einlass und stromab durch den Bypass-Kanal nach außen gelangen. Die Ausbreitung von Schall in Triebwerkskanälen und die Abstrahlung ins Fernfeld ist seit mehreren Jahrzehnten Gegenstand von Untersuchungen, die in einem breiten Spektrum von Methoden und Referenzergebnissen resultierten. Sie basieren jedoch in den meisten Fällen auf der Annahme der Axialsymmetrie. Diese ist im Fall eines Triebwerkseinlasses gerechtfertigt, stellt aber im Bypass-Kanal eine grobe Näherung dar. Das Ziel dieser Arbeit ist es, den Effekt von asymmetrischen Einbauteilen in einem Bypass-Kanal mittels numerischer Simulationen zu untersuchen. Solch ein Kanal zeichnet sich baubedingt durch mehrere längs zur Strömungsrichtung angeordnete meist flache Einbauten aus. Beobachtungen zeigen, dass die Teilerplatten den helikalen Modenverlauf stören und zu einer Reflexion beziehungsweise einer Abschattung führen. Diese Effekte werden zunächst anhand einfacher Fälle in zwei und drei Dimensionen untersucht. Die zur Gabelung des Kanals (engl. bifurcation) führenden Teile werden als flache und unendlich dünne, jedoch schallharte Platten modelliert. Es wird ein Gesetz zur Abschätzung des Teilereinflusses anhand von Modenamplituden vorgestellt, welches z.B. die Bewertung der Wirksamkeit der akustischen Auskleidung von Einbauteilen erlaubt. Die Bedingungen für die Verwendung eines zweidimensionalen Kanalmodells werden diskutiert und durch Vergleichsrechnungen genauer ermittelt. Die Grundlagenuntersuchungen werden auf eine realistische Triebwerksauslasskonfiguration erweitert. Hier dient der direkte Vergleich der axialsymmetrischen und der geteilten Geometrievariante zur Separation und Bewertung der Teilerwirkung im Nah- und Fernfeld. Den Abschluss der Arbeit bildet die Untersuchung von Linerkonfigurationen.
Jet aero-engines are considered as the major noise source of modern aircraft today, especially during take-off. Major improvements were made by introducing the bypass channel aero-engine topology, where the major part of the thrust is contributed by the fan. The decrease of the outlet velocities reduced jet noise drastically, but enforced an accompanying increase of the fan cross-section area to maintain the desired thrust. With this development a new noise source emerged consisting of the fan rotor-stator assembly generating tonal noise at large amplitudes. In the past, aeroacoustic research activities in this field were focused primarily on jet noise and were later extended to the aero-engine intake due to the growing size of the fan. The intake with its exposed fan is in fact the main contributor to tonal noise received in the far-field. Significant improvements have been achieved using e.g. liners and optimization of the rotor-stator geometry itself. Until recently, less attention has been paid to the downstream propagation through the bypass duct. A bypass channel is characterized by several non-axisymmetric installations connecting the engine core with the outer body and the wing. These parts violate the axisymmetry assumption rendering the well known solutions of the duct propagation and radiation problem inapplicable. Effects like mode scattering or the reversion of the propagation direction have to taken into account. The aim of this study is to investigate the elementary mechanisms of mode propagation in a bifurcated duct and systemise the observed effects. The presented work is based on numerical simulations carried out with the high-order CAA solver TUBA3D. The starting point of the studies is a simplified geometry with constant cross-section and a single flat splitter plate. The shape of the modal spectrum behind the bifurcation depending on the splitter plate length is investigated and an approximative geometry-based rule to predict the amplitude of the dominant modes is introduced. Numerical results obained in two and three dimensions are compared with regard to their transferability. To quantify the influence of the flat plate splitter modell a numerical study of three splitter body shapes with varying thickness are presented. The effect of radial mode scattering due to a radially curved bifurcation is investigated. The basic studies are then extended to the complex case of a realistic aero-engine outlet. The configuration is simulated under consideration of the mean flow characterised by high gradients in the flow velocity and temperature. The acoustic field of the symmetric and bifurcated variant of the geometry is compared and discussed. The practical aspect of acoustic lining of the nozzle walls is addressed by simulating three different liner configurations.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-33074
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/3307
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3010
Exam Date: 19-Jul-2011
Issue Date: 4-Nov-2011
Date Available: 4-Nov-2011
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): CAA
Nebenstromkanal
Schallausbreitung
Simulation
Triebwerk
Bypass
Caa
Noise
Propagation
Simulation
Usage rights: Terms of German Copyright Law
Appears in Collections:Technische Universität Berlin » Fakultäten & Zentralinstitute » Fakultät 5 Verkehrs- und Maschinensysteme » Institut für Strömungsmechanik und Technische Akustik (ISTA) » Publications

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