Numerische Simulation des Geräusches massiv abgelöster Strömung bei großer Reynoldszahl und kleiner Machzahl
Knacke, Thilo
Strömungsinduzierte Geräusche stellen heute ein zunehmendes Problem dar, besonders in der Umgebung von Flughäfen. Eine flächendeckende Lärmminderung ließe sich hier in erster Linie durch konstruktive Maßnahmen zur Abschwächung der wesentlichen Schallentstehungsmechanismen am Flugzeug erzielen. Dies setzt jedoch voraus, dass verlässliche aeroakustische Vorhersagen getroffen werden können, wozu nicht nur präzise Berechnungsverfahren für die Schallausbreitung, sondern auch für das mittlere Strömungsfeld und für die aerodynamischen Geräuschquellen erforderlich sind.
In der vorliegenden Arbeit wird ein im Bereich subsonischer Strömungssimulationen etabliertes, druckbasiertes 3D-Finite-Volumen-Verfahren für den Einsatz in aeroakustischen Grobstruktursimulationen weiterentwickelt. Der hier vordergründig betrachtete Strömungszustand und Kennzahlbereich ist typisch für das Entstehen von „airframe noise“, aerodynamischem Lärm, welcher primär durch die turbulente Umströmung von Fahrwerk und Hochauftriebshilfen startender oder landender Flugzeuge verursacht wird. Die Kopplung von kompressiblen Grobstruktursimulationen im Quellgebiet mit nachgeschalteten akustischen Extrapolationen ermöglicht eine Berechnung dieser Umströmungsgeräusche bis ins Fernfeld.
Nach kurzer Darstellung der physikalischen Grundlagen und verschiedener Möglichkeiten zur numerischen Simulation wird das ausgewählte Verfahren im Detail analysiert und eine Schwachstelle in der zur Berechnung der Massenflüsse eingesetzten Interpolation nach Rhie & Chow identifiziert. Der Schwerpunkt der Weiterentwicklung liegt anschließend auf der sorgfältigen Herleitung einer Familie konsistenter Approximationen zur Bestimmung von Massenflüssen über Kontrollvolumengrenzflächen auf nichtversetzten Gittern. Zwei neue Varianten der Massenflussberechnung werden in das bestehende Druckkorrekturverfahren integriert. Deren Verhalten wird im Vergleich zur ursprünglichen Implementierung an einem akademischen Testfall bewertet. Es folgt eine Abstimmung von Numerik und Feinstrukturmodell am Zerfall isotroper Turbulenz und nach der Qualifizierung des verbesserten Verfahrens schließlich dessen Anwendung zur Berechnung von Strömungsgeräuschen an einer generischen Fahrwerksverstrebung und an einer 3-Komponenten-Hochauftriebskonfiguration. Die Ergebnisse dieser Simulationen weisen überwiegend eine sehr gute Übereinstimmung mit experimentell ermittelten Daten auf. Auf Basis einer aeroakustischen Analyse der hochaufgelösten Simulationsergebnisse am Vorflügel gelingt letztlich ein statistischer Nachweis für den dort dominierenden Schallentstehungsmechanismus.
Flow-induced noise represents an increasing problem today, particularly in the vicinity of airports. Comprehensive aircraft noise reduction could primarily be achieved through design changes which mitigate the major noise generation mechanisms. However, such changes require reliable aeroacoustic predictions, which is only possible if appropriate numerical tools are available. These must allow the precise calculation of the sound and mean flow fields as well as the most relevant aerodynamic noise sources.
In this work a pressure-based 3D finite volume method, which is already well-established in the area of subsonic flow computation, is further developed in order to enable its application for aeroacoustic large-eddy simulations. The flow state and the range of similarity parameters considered here are chosen to be representative of typical airframe noise. This is mainly caused by separated flow around deployed landing gear and high-lift devices during aircraft takeoff and landing. The coupling of compressible large-eddy simulations in the main sound source regions with subsequent acoustic extrapolations provides access to the prediction of such aerodynamic noise up to the farfield.
The selected method is analysed in detail following a brief overview of the physical background and state-of-the-art numerical simulation techniques. A weak point is identified in the Rhie & Chow interpolation which is employed for the calculation of mass fluxes. Particular emphasis is then placed on the careful derivation of a family of consistent approximations for the determination of mass flux over control volume faces on co-located grids. Two new flux formulations are integrated into the existing pressure correction method. Their behaviour is validated and compared to that of the original implementation on an academic test case. Following a thorough reassessment of the balance between numerical and modelled dissipation on the decay of isotropic turbulence, the improved method is finally applied to compute the flow-induced noise around a generic two-struts configuration and around a three-component high-lift configuration. The simulation results predominantly exhibit very good agreement with experimental data. Based on highly-resolved flow field data acquired from the simulation of the high-lift system, a concise aeroacoustic analysis is offered. Statistical evidence of the dominant noise generation mechanism near a leading edge slat is provided.
Published by Universitätsverlag der TU Berlin, ISBN 978-3-7983-2736-8
- Zugleich gedruckt erschienen im Universitätsverlag der TU Berlin: ISBN 978-3-7983-2735-1
