Untersuchung der Methodik zur aeroakustischen Analyse sowie des Potentials zur Lärmreduktion am Beispiel eines gegenläufigen Propfans
Final Report Abstract
Die im Rahmen des vorliegenden Projektes durchgeführten Arbeiten beinhalten einerseits Methoden der aeroakustischen Analyse von Turbomaschinen sowie andererseits die Identifikation von aerodynamischen Mechanismen der Lärmentstehung und konsequenterweise des Potentials zur Emissionsreduzierung am Beispiel eines gegenrotierenden Propfans. Den wissenschaftlichen Studien musste eine iterative Auslegung einer repräsentativen Basiskonfiguration für definierte Randbedingungen im Reiseflug vorausgehen, da entsprechende Geometriedaten bislang nicht öffentlich zugängig waren. Für die Auslegung wurden im Bereich von Turbomaschinen übliche Methoden erfolgreich eingesetzt. Dies stellt insofern eine Innovation dar, als dass Propfans, soweit der publizierten Literatur entnommen werden konnte, mit propellertypischen Methoden entwickelt wurden. Die Veröffentlichung von geometrischen Details der ausgelegten Propfan-Konfiguration dient ferner anderen Wissenschaftlern als Datenbasis und Referenz für weiterführende Studien. Zur Beurteilung des Einflusses von Parametern des numerischen Modells wurden Methoden basierend auf Ausbreitungscharakteristiken entwickelt, mit deren Hilfe die Genauigkeit des Modells bei der Vorhersage von Lärmemissionen quantifizierbar wird. Existierende Methoden ermöglichen Fehlerabschätzungen auf analytischem Wege unter der Voraussetzung diverser modelltheoretischer Annahmen und Idealvorstellungen, die in der Praxis nicht haltbar sind. Im Gegensatz dazu baut die entwickelte Fehlerevaluation auf dem tatsächlichen Modell und berücksichtigt somit etwaige modellbedingte und numerische Randbedingungen. Die Methode ermöglicht somit einerseits eine quantitative Fehlerabschätzung für aeroakustische Analysen zur Beurteilung der Modellgüte und andererseits die Ableitung konkreter Modellrestriktionen für verlässliche Lärmprognosen. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass Dissipation und Dispersion bezüglich der axialen und radialen Richtung signifikant anisotropes Verhalten mit entsprechenden Auswirkungen für die Fernfeld-Extrapolation aufweisen. Hinsichtlich der zeitlichen Diskretisierung stellte sich heraus, dass bei numerisch stabilen Simulationen und unter der Voraussetzung der Konvergenz in der Pseudo-Zeit die Wahl der Zeitschrittweite unkritisch für die Genauigkeit der Vorhersage von akustischen Emissionen ist. Mittels parametrischer Variationen und Untersuchungen an gegenrotierenden Propfans wurden, unabhängig von der untersuchten Konfiguration, Schaufelreiheninteraktionen als prädominante Quelle von Lärm identifiziert. Die Analyse und Beschreibung der aerodynamischen Entstehungsmechanismen dienen als theoretische Grundlage zur Reduzierung akustischer Emissionen. Ergänzend zu einer Vielzahl existierender Veröffentlichungen, welche globale Auswirkungen von geometrischen Variationen auf die akustischen Emissionen beschreiben, wurde in den vorliegenden Studien besonderer Wert auf eine allgemeingültige Beschreibung der physikalischen Zusammenhänge der Lärmgenerierung gelegt. Die Wirkung von aus den theoretischen Erkenntnissen abgeleiteten Maßnahmen zur Lärmreduktion gegenrotierender Propfans konnte durch gezielte Simulationen bestätigt werden.
Publications
- Viel Lärm um Nichts – Numerische Vorhersage von Propellerlärm. Forum für Luft- und Raumfahrt an der Technischen Universität München, 27.10.2011
F. Danner
- Influence of Discretisation on the Prediction of Propeller Noise Generation: Theory and Application. International Symposium on Transport Phenomena and Dynamics of Rotating Machinery, ISROMAC 14, Honolulu, HI, USA, ID-1135, 2012
F. Danner, H.-P. Kau
- Aerodynamic Origin of Rotor-Rotor Interaction Noise from Unducted Propulsors. ASME Turbo Expo 2013, San Antonio, TX, USA, GT2013-95572, 2013
F. Danner, C. Kendall-Torry, H.-P. Kau
- On the Capability of Unsteady RANS Computations to Reproduce Non-Deterministic Pressure Disturbances for Noise Predictions. International Society for Air Breathing Engines, 21st ISABE Conference, Busan, Korea, ISABE-2013-1312, 2013
F. Danner, C. Kendall-Torry, H.-P. Kau
