Numerische Analyse der Lärmmechanismen an Hochauftriebshilfen mit Verfahren hoher Ordnung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Folgenden wird die Erstellung und Analyse einer Referenzlösung präsentiert. Danach folgt eine kurze Beschreibung der entwickelten zonalen RANS/LES Methode und der entwickelten Löser für die akustischen Ausbreitungsrechnungen. Abschließend werden die Ergebnisse und Erfahrungen, die bei der Anwendung der zonalen Methode im Falle der Hochauftriebs-konfiguration gewonnen wurden, dargestellt. Die freie Anströmmachzahl wurde zu Ma=0,16 bei einen Anstellwinkel von α=13° gewählt und die Reynoldszahl betrug Re=1,4*106. Im Rahmen des Projektes wurden zuerst Referenzlösungen für das turbulente Strömungsfeld und das daraus resultierende Schallfeld einer Hochauftriebskonfiguration bestehend aus Vor- und Hauptflügel. Ein Vergleich der zeitlich gemittelten Machzahlverteilung und der Druckverteilung mit vorhandenen Messdaten zeigte gute Übereinstimmungen. Eine detaillierte Untersuchung der turbulenten Strömungsstrukturen offenbarte ein periodisches Auftreten von zwei markanten Wirbelstrukturentypen in der Slatcove-Scherschicht. Zum einen sind dies in Spannweitenrichtung orientierte Wirbel, im Folgenden „Roller“ genannt, und zum anderen in Strömungsrichtung orientierte Wirbel, welche sich zwischen den Roller-Wirbeln befinden. Diese werden im Weiteren als „Rib-Vortices“ bezeichnet. Im Wiederanlegegebiet der Scherschicht, etwas stromauf des Vorflügelspalts, werden die Roller und Rib-Vortices stark deformiert und teilweise zerstört. Es wurde vermutet, dass die damit verbundene Wirbel-Wirbel- und Wirbel-Wand-Interaktion eine der wesentlichen Mechanismen der Lärmerzeugung bei Hochauftriebshilfen darstellt. Aus diesem Grund wurden im Folgenden die Lärmquellen berechnet und das resultierende Schallfeld im Detail untersucht. Basierend auf den instationären Strömungsdaten wurde das akustische Feld mittels der Akustischen Störungsgleichungen (acoustic perturbation equations, APE) berechnet. Ein Vergleich des berechneten Frequenzspektrums mit Messdaten zeigte eine gute Übereinstimmung. Auffällig ist der Mix aus tonalen Komponenten und Breitbandlärm zwischen 1 und 3 kHz. Eine Kreuzkorrelation zwischen dem akustischen Druck und den akustischen Quellen ergab, dass der Bereich des Vorflügelspalts verantwortlich ist für die Erzeugung des Schalls in diesem Frequenzbereich. Als Akustiklöser wurde zunächst das DRP-Differenzen-Verfahren des Rechenprogramms PIANO angewandt. Daneben wurden Arbeiten zur Implementierung eines Akustiklösers ausgeführt, welche auf ein Discontinuous-Galerkin-Verfahren für unstrukturierte Gitter aufbaut. Es wurden Vergleiche mit beiden Akustiklösern ausgeführt und das Schallfeld auf Grundlage der durchgeführten Strömungssimulationen durchgeführt. Diese Ergebnisse zeigten eine gute Übereinstimmung. Durch diese Rechnungen konnten wichtige Erkenntnisse über die Übertragung der Quelldaten in das akustische Verfahren sowie über das Verhalten der APE-Gleichungen im Zusammenhang mit DG-Verfahren gewonnen werden. Für die Strömungssimulation wurde im Anschluss eine zonale RANS/LES Methode entwickelt und getestet. Dabei waren die wesentlichen Herausforderungen die Rekonstruktion der turbulenten Viskosität aus den LES Daten, welche für die RANS-Einströmränder benötigt wird und die Erzeugung turbulenter Fluktuationen an den LES-Einströmränder basierend auf den statistischen Turbulenzinformation aus der RANS Lösung. Zur Turbulenzerzeugung bewährte sich eine Kombination aus stochastischen Fluktuationen, basierend auf den RANS Daten, die den mittleren Strömungsgrößen überlagert werden, und dem Aufbringen von geregelten Volumenkräften an definierten Kontrollflächen etwas stromab des Einströmrandes. Basierend auf der turbulenten kinetischen Energie und der turbulenten Frequenz, konnte die turbulente Viskosität erfolgreich aus den LES Daten rekonstruiert werden. Des Weiteren zeigte sich, dass diese Methode eine geringe Sensitivität gegenüber der Auflösung des Rechengebietes aufweist. Zum Abschluss wurde die entwickelte und getestete zonale RANS/LES Methode zur Berechnung der Hochauftriebskonfiguration verwendet. Ein Vergleich der gewonnenen Ergebnisse mit denen der Referenzlösung zeigte eine gute Übereinstimmung. Die Anzahl der Gitterpunkte konnte von 55 Millionen (Referenz-LES) auf 16 Millionen gesenkt werden. Der Anteil des zonalen LES Gebietes am gesamten Integrationsgebiet betrug ca. 13%.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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J. Utzmann, F. Lörcher, M. Dumbser und C.-D. Munz
- Heterogeneous domain decomposition for computational aeroacoustics. AIAA Joumal 44 (2006), 2231 -2250
J. Utzmann, T. Schwartzkopff, M. Dumbser, C.-D. Munz
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D. König, W. Schröder, and M. Meinke
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A. Babucke und M. Dumbser und J. Utzmann
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J. Utzmann und C.-D. Munz
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J. Utzmann und C.-D. Munz
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D. König, W. Schröder, and M. Meinke
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D. König, W. Schröder, and M. Meinke
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C.-D. Munz, M. Dumbser, S. Roller
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F. Lörcher, G. Gassner, C.-D. Munz
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I. Ali, S. Becker, J. Utzmann, C.-D. Munz
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J. Utzmann, A. Birkefeld und C.-D. Munz
- LES of the flow over a high-lift airfoil configuration. In Progress in Turbulence III. Springer, 2008
D. König, W. Schröder, and M. Meinke
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M. Meinke, D. König, Q. Zhang, and W. Schröder
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A. Birkefeld, J. Utzmann und C.-D. Munz
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H. Klimach, S. P. Roller, C.-D. Munz
- Investigation of Slat Noise Mechanisms. In EUROMECH Colloquium 504, Munich, 2009
D. König, S. R. Koh, M. Meinke, and W. Schröder
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D. König, S. R. Koh, M. Meinke, and W. Schröder
- Polymorphic nodal elements and their application in discontinuous Galerkin methods, J. Comput. Phys. 228 (2009), 1573-1590
G. Gassner, F. Lörcher, C.-D. Munz, J. S. Hesthaven
- Slat Noise Source Identification. In 15th AIAA/CEAS Aeroacoustics Conference. AIAA Paper 2009-3100, 2009
D. König, S. R. Koh, M. Meinke, and W. Schröder
- Slat Noise Source Identiflcation for a High-Lift Configuration. In NAG/DAGA 2009, International Conference on Acoustics, Rotterdam, 2009
D. König, S. R. Koh, W. Schröder, and M. Meinke
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D. König, S. R. Koh, W. Schröder, and M. Meinke
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D. König, S. R. Koh, M. Meinke, and W. Schröder
- Two-Step Simulation of Slat Noise. Computers and Fluids, 2009
D. König, S. R. Koh, M. Meinke, and W. Schröder
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.compfluid.2009.10.004) - Advances in the Computational Aeroacoustics with the Discontinuous Galerkin Solver NoisSol. In 16th AIAA/CEAS Aeroacoustics Conference, Juni 2010
A. Birkefeld, A. Beck, M. Dumbser, C.-D. Munz, D. König und W. Schröder
