Overset-LES for Airframe Noise Investigation

Abstract

Diese Arbeit widmet sich der Entwicklung eines skalenauflösenden Simulationsverfahrens zur Vorhersage von Flugzeugzellenlärm. Die Methode basiert auf einer Weiterentwicklung des CAA Codes PIANO, in dem die nichtlinearen Euler Gleichungen mit viskosen Termen erweitert wurden. Dies führt schließlich auf die kompressiblen Navier-Stokes Gleichungen in Störungsform. Anhand der Erweiterung durch ein Grobstrukturmodell ergibt sich eine hybride zonale RANS/LES Simulationsmethode, welche aufgrund des Störungsansatzes über einer zeit-gemittelten Hintergrundströmung durchgeführt wird (Overset-LES). Die Schallquellen im Zusammenhang mit Flugzeugzellenlärm sind oftmals auf ein begrenztes Gebiet beschränkt, in dem eine turbulente Strömung mit geometrischen Ecken und Kanten interagiert. In einem mehrstufigen Verfahren werden hier zunächst die Schallquellen mittels einer Overset-LES lokal erfasst und anschließend in einer 2D CAA-Simulation in das Fernfeld übertragen. Die fehlende Turbulenz an den Einstromrändern der Overset-LES wird mithilfe stochastisch modellierter Strukturen rekonstruiert und eingekoppelt. Dies beschleunigt die Entwicklung realistischer Turbulenz und ermöglicht eine Verkleinerung der Rechendomäne. Die Methode der Turbulenzrekonstruktion wird anhand der Simulation einer ebenen Platte validiert. Diegesamte Prozesskette wird auf einen wohldefinierten Testfall eines symmetrischen NACA0012 Profils angewendet, welcher in nachfolgenden Studien als Referenzfall dient. Sowohl die lokale Turbulenzstatistik der Overset-LES, als auch die resultierende Fernfeldakustik aus der 2D Propagationssimulation, stimmen gut mit den experimentellen Vergleichsdaten überein. Die Um- und Durchströmung poröser Materialien wird durch ein volumengemitteltes Modell unter Berücksichtigung eines linearen Darcy-Terms und eines nichtlinearen Forchheimer-Terms numerisch abgebildet. Die Simulation eines NACA0012 mit poröser Hinterkante sagt eine Lärmminderung von maximal 4 dB gegenüber dem Referenzfall mit solider Hinterkante voraus, welches die Beobachtungen in Windkanaluntersuchungen bestätigt. Die Schallreduktion kann auf den Zerfall turbulenter Strukturen in spannweitiger Richtung zurückgeführt werden. Darüber hinaus weist das Fernfeldspektrum hochfrequenten Zusatzschall auf, der durch erhöhte Wandrauigkeit der offenporigen Oberfläche verursacht wird. Beide Phänomene stehen im Einklang mit den Erkenntnissen in der Literatur. In einer weiterführenden Studie wird die Schallentstehung am Vorflügel eines Hochauftriebsprofils mittels einer lokal ausgeführten Overset-LES und anschließender Fernfeldpropagation untersucht. In diesem Zusammenhang werden zwei verschiedene Geometrien unter gleichen Auftriebsbedingungen betrachtet. Zunächst wird eine klar definierte Referenzgeometrie untersucht und mit experimentellen Messdaten verglichen. Anschließend wird das Lärmminderungspotential einer verlängerten Vorflügelgeometrie bewertet. Für den Referenzfall kann gezeigt werden, dass die komplexen turbulenten Strömungsphänomene im Bereich des Vorflügelspaltes durch die Overset-LES korrekt wiedergegeben werden. Im Vergleich zum Referenzfall wird für den länger ausgeführten Vorflügel eine Lärmreduktion, abhängig vom Abstrahlwinkel, zwischen 2 dB und 5 dB vorhergesagt. Dies stimmt mit Erkenntnissen aus Windkanaluntersuchungen überein.