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Designoptimierung und -analyse der Düsengeometrie hinsichtlich turbulenzinduzierter Schallemissionen
Strasser, Jean-Marie
Es wird eine numerische Prozesskette zur akustischen Designoptimierung von Schubdüsen hergestellt. Dies geschieht mithilfe eines parametrisierten Düsenmodells und einer statistischen akustischen Kostenfunktion. Durch die Analyse des Einflusses der Düsengeometrie auf Emissionseigenschaften der Düsenströmung wird eine akustische und aerodynamische Kosten-Nutzen-Abwägung vorgenommen. Die Prozesskette ist vollständig geschlossen und durch Variieren der Geometriefunktion können eine Vielzahl unterschiedlicher Düsendesigns berechnet werden, sodass eine akustische Designoptimierung der Schubdüsengeometrie erfolgen kann. Das parametrisierte CAD (Computer aided Design)-Modell der Schubdüse dient als Randbedingung einer CFD (Computational Fluid Dynamics)-Simulation. Für bestimmte Designparameter der Düsengeometrie erfolgt dann eine schnelle Abschätzung der akustischen Kosten aus dem Emissionsspektrum der resultierenden Düsenströmung. Dazu werden lediglich die Ausgabedaten einer stationären RANS (Reynolds averaged Navier Stokes)-Berechnung, kombiniert mit dem SST (Shear Stress Transport)-Turbulenzmodell und einem integralen CAA (Computational Aeroacoustics)-Modell herangezogen. Die lärmoptimierten Geometrieparameter werden schließlich in Abhängigkeit zur akustischen Kostenfunktion für unterschiedliche Geometrievarianten dargestellt. In der aktuellen Version der Prozesskette ist der Gültigkeitsbereich der akustischen Kostenfunktion auf einen Emissionswinkel um 90° (sideline) und kalte Düsenstrahlen beschränkt. Die Eigenschaften und die Funktionsweise der Prozesskette werden hier dokumentiert von der Methodik bis hin zur Validierung. Zum Schluss wird gezeigt, wie die Prozesskette angewendet wird, um Düsengeometrien hinsichtlich ihrer akustischen Eigenschaften zu charakterisieren und zu optimieren. Weiterhin werden physikalische Aspekte diskutiert, welche eine Reduzierung von Strahllärm durch Anpassung der Düsengeometrie hervorrufen können. Die Düsengeometrie ist als Design-Größe ausschlaggebend für die Eigenschaften der turbulenten Düsenströmung und damit für den Strahllärm. In der Vorentwurfsphase hinsichtich lärmeffizienter Schubdüsen kann die Prozesskette zur Reduzierung von Strahllärm als maßgebliche Komponente von Fluglärm beitragen.
A numerical process chain for the acoustic design optimization of aircraft engine nozzles is presented here. This is done by using a parameterized nozzle model and a statistic acoustic cost function. Through the analysis of the influence of nozzle geometry on the emission properties of the nozzle flow, an acoustic and aerodynamic cost-benefit analysis is performed. The process chain is fully closed, and by varying the geometry function a vast number of different nozzle designs can be calculated in order to realize an acoustically optimal nozzle geometry. The parametric CAD (computer aided design) model of the nozzle is used as boundary condition of a CFD (Computational Fluid Dynamics) simulation. Then follows a rapid estimation of the the acoustic emissions from the spectrum of the resulting nozzle flow in respect to the design parameters. This is realized with the data of a steady RANS (Reynolds averaged Navier Stokes) calculation, combined with the SST (Shear Stress Transport) turbulence model and an integral CAA (Computational Aeroacoustics) method. The noise-optimized geometry parameters are finally presented in relation to the acoustic cost function for different geometry types. In the current version of the process chain, the acoustic cost function is valid for emission angle of 90° (sideline) and cold jets. The characteristics of the process chain are documented and validated here. Finally, it is shown how the process chain is applied to characterize and optimize nozzle geometries in terms of acoustic properties. Furthermore, physical aspects which cause a reduction of jet noise by adjusting the nozzle geometry, are discussed. The Nozzle design is crucial for the properties of the turbulent jet flow and jet noise. Jet noise is a key component of aircraft noise. The process chain can help to reduce jet noise if its used for predesign of noise efficient nozzles.
