Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5610
Main Title: Numerische Simulation des Breitbandlärms in Turbomaschinen mittels Improved Delayed Detached Eddy Simulation
Translated Title: Simulation of broadband noise using Improved Delayed Detached Eddy Simulation for turbomachinary flows
Author(s): Greschner, Björn
Advisor(s): Thiele, Frank
Referee(s): Thiele, Frank
Jacob, Marc C.
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: de
Abstract: Bei der Entwicklung moderner Triebwerke steht neben aerodynamischen und wirtschaftlichen Aspekten in zunehmendem Maße die Reduktion der Lärmemissionen im Vordergrund. Der Lärm eines Fan-Triebwerks setzt sich aus tonalen und breitbandigen Anteilen zusammen. Die tonalen Lärmentstehungsmechanismen werden dabei relativ gut verstanden und können durch konstruktive Maßnahmen effizient reduziert werden. Die Entwicklung der High-Bypass-Ratio-Triebwerke mit einem relativ langsam drehenden, großen Fan reduziert zwar den tonalen Lärm, führt aber dazu, dass das breitbandige Rauschen durch den großen Rotor-Fan und die Stator-Outlet-Guide-Vanes zum führenden Term bei der Schallentstehung wird. Ein detailliertes Verständnis der Lärmentstehungsmechanismen des Breitbandlärms innerhalb des Triebwerks ist somit eine wichtige Voraussetzung für die weitere Flugzeugentwicklung. Im Bereich des Fans gibt es drei dominante Breitbandlärmquellen – den Grenzschichtlärm bzw. Hinterkantenlärm von Rotor und Stator, den Rotor-Stator-Interaktionslärm und als dritte signifikante Quelle den Wirbelendspitzenlärm. Allen diesen Breitbandlärmquellen liegen hochgradig instationäre und stochastische Strömungen mit sehr kleinskaligen Strömungsstrukturen zu Grunde, die sehr hohe Anforderungen an die Numerik und die Turbulenzmodellierung stellen. Die vorliegende Untersuchung beschäftigt sich mit der direkten Simulation dieser drei grundlegenden Breitbandlärmquellen und der Analyse der entsprechenden Mechanismen. Ziel der Arbeit ist die Entwicklung und Zusammenführung aller Komponenten, um eine direkte Breitbandlärmsimulation eines Triebwerks mittels der neuartigen Improved Delayed Detached Simulationsmethode (IDDES) auf Basis des TU Berlin-eigenen Navier-Stokes-Lösers ELAN3D zu ermöglichen. Dieser fordert sowohl die Erweiterung und Validierung des kompressiblen Lösers für rotierende Systeme mit den entsprechenden Randbedingungen, die Implementierung eines Sliding-Mesh-Interfaces hoher Ordnung, die Anpassung des Lösers für die Nutzung der Chimera-Overset-Gittertechnik zur Erhaltung der nötigen hohen Gitterqualität, als auch der Evaluierung und Anpassung der IDDES. Es werden schließlich die Vorteile und Möglichkeiten bzw. Limitierungen bei der Anwendung der IDDES bei der Simulation kompressibler, komplexer dreidimensionaler Strömungen dargestellt und der Breitbandlärm analysiert.
Due to the need of the overall noise reduction for the development of future aircrafts, the understanding of aeroacoustic broadband noise source mechanisms becoming relevant. The aero-engine is a major contributor of the aircraft tonal and broadband noise. Decades of research yields to an reduction of the jet noise and therefore the turbomachinary core and fan noise becomes relevant. On the one hand the tonal noise sources are well known and addressed by the development of the present ultra-high-bypass-ratio (UHBR) fans. Contrary, the huge UHBR-fan with the complex constructed rotor blades and outlet guide vanes, in connection with high mass flow rates in the bypass-area, generates a lot of broadband noise. The selfnoise or boundary-layer related trailing edge noise, the interaction noise and the rotor-tip-vortex based noise are the major broadband noise sources encountered in turbomachinary bypass-fans. All of these noise sources based upon highly turbulent and strongly stochastic flows. This make high demands on the numerics and the turbulence modeling for the simulation of that type of flows. The objective of this study is the direct simulation of the before mentioned broadband noise sources using the novel Improved Delayed Detached Eddy Simulation (IDDES) and the analysis of the corresponding source mechanisms. This includes the implementation and validation of several parts in the compressible branch of the Navier-Stokes-Solver ELAN3D from TU Berlin – the evaluation and validation of the IDDES, extension of solver for the rotating reference frame, implementation of the High-Order-Sliding-Mesh-Interface for fully developed coupling of fixed and rotating domains, extension of the Chimera overset-grid technique for generating high quality mesh for complex geometries. The study demonstrates the advantages and limitations of the non-zonal hybrid-RANS-LES method (IDDES) for the simulation of highly complex turbomachinary flows and the related broadband noise.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/6026
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5610
Exam Date: 30-Oct-2015
Issue Date: 2016
Date Available: 9-Dec-2016
DDC Class: DDC::500 Naturwissenschaften und Mathematik::530 Physik::532 Mechanik der Fluide, Mechanik der Flüssigkeiten
DDC::000 Informatik, Informationswissenschaft, allgemeine Werke::000 Informatik, Wissen, Systeme::005 Computerprogrammierung, Programme, Daten
Subject(s): Aeroakustik
Breitbandlärm
Grenzschichtlärm
Interaktionslärm
Wirbelendspitzenlärm
Hinterkantenlärm
Triebwerkslärm
Detached Eddy Simulation
aeroacoustics
trailing edge noise
boundary layer noise
chimera
interaction noise
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
ISBN: 978-3-7431-1273-5
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