Numerische Untersuchungen zur Lärmemission bei integrierten gegenläufigen offenen Rotoren

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Ewald Krämer
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 247282928

Ziel des Vorhabens ist es, die am Institut vorhandene aerodynamische und aeroakustische Prozesskette, bestehend aus CFD-Löser und akustischem Postprocessing, für die Untersuchung von Lärmabschirmung und -reflexion eines integrierten Contra-Rotating Open Rotors (CROR) zu erweitern und mit eigenen Messdaten eines CROR-Modellprüfstands erstmals detailliert zu validieren. Trotz seiner hohen Effizienz hat sich der CROR in der zivilen Luftfahrt bisher nicht durchsetzen können. Hauptgrund hierfür ist seine hohe Lärmemission, welche daher Gegenstand vieler aktueller Forschungsprojekte ist. Großes Potential hat dabei, neben der direkten Vermeidung der Lärmentstehung, auch die Integration eines CRORs am Heckleitwerk. Um die lärmmindernden Auswirkungen solcher Integrationseffekte sowohl qualitativ als auch quantitativ zuverlässig vorhersagen zu können, ist allerdings ein genaueres Verständnis der aerodynamischen und akustischen Phänomene notwendig. Die lärmerzeugenden Strömungsmechanismen eines isolierten CRORs sind zwar ansatzweise verstanden, es existieren aber keine genauen Kenntnisse über die Ausbreitung des Schalls bei einem integrierten CROR. Experimentelle Daten zu integrierten CRORs sind der Forschung bisher nicht frei zugänglich, weshalb es zwar numerische Untersuchungen zur Integration aber keine für diesen Anwendungsfall validierten Simulationswerkzeuge gibt. Hierzu befindet sich aktuell am Institut ein CROR-Prüfstand im Aufbau, welcher aerodynamische und aeroakustische Messdaten eines in einem U-Leitwerk mit Pylon integrierten CRORs liefern wird. Dadurch ist zusammen mit der existierenden Prozesskette erstmals die Möglichkeit gegeben, experimentelle und numerischen Daten für einen integrierten CROR zu vergleichen. Im Rahmen des Projektes soll diese Prozesskette auf den Anwendungsfall des integrierten CRORs ausgebaut und validiert werden, wobei hier sowohl die bisherige Version des CFD-Lösers als auch eine mit einem Verfahren hoher Ordnung erweiterte Version in Verbindung mit dem bestehenden Ffowcs Williams-Hawkings (FWH)-Löser zum Einsatz kommt. Darüber hinaus soll das akustische Postprocessing um eine Boundary-Element Methode (BEM) in Kombination mit einer Ray-Tracing Methode (RTM) erweitert werden. Die BEM wird zur Berechnung des tonalen Anteils des abgeschirmten und reflektierten Lärms eingesetzt, während die RTM zur Berechnung der höherfrequenten Anteile dient. Der Vorteil dieser Kombination besteht darin, dass sich beide Methoden gut ergänzen und unterschiedliche Frequenzbereiche abdecken. Bei der BEM kann die Schallausbreitung für tiefe Frequenzen berechnet werden, da eine minimale Auflösung der Wellen erforderlich ist, während mit der RTM höhere Frequenzen abgedeckt werden können, da hierfür die Wellenlängen genügend klein sein müssen. Die neu programmierten Module sollen mit den Modellmessdaten validiert und anschließend zur Simulation eines integrierten CRORs im Originalmaßstab verwendet werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen