Adjungierten-basierte Optimierung schallabsorbierender Auskleidungen für leise Luftfahrtantriebe
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel des Projektes war die Entwicklung, Implementierung und Validierung eines adjungiertenbasierten Verfahrens für die Optimierung der Eigenschaften und Positionierung akustischer Absorber. Ein Löser für numerische Strömungsakustik (CAA) bildete den Ausgangspunkt zur Umsetzung eines diskret adjungierten Lösers. Bei der adjungierten Löser-Variante trat keine höhere Neigung zu Instabilitäten auf. Diese war aufgrund der hohen Ordnung und geringen Dissipation des Verfahrens erwartet worden. Die instabilen Bereiche ließen sich mit Box-Constraints weitestgehend ausschließen. Der enorme Speicherbedarf und die Rechenzeit beim adjungierten Löser konnten durch Optimierungen und mehrstufiges Checkpointing enorm reduziert werden. Die für die Optimierungen ausgewählte mehrstufige hybride Optimierungsstrategie hat sich bewährt. Die Verwendung des aufwendigeren Innere-Punkt-Verfahrens konnte vermieden werden. Es wurde eine weitere hybride Optimierungsmethode entwickelt, die eine Kriging-Strategie mit einer einfachen Liniensuche kombiniert. Diese bringt voraussichtlich erst bei sehr vielen Parametern Vorteile und wurde daher verworfen. Die direkte Optimierung der Parameter des Impedanzmodells führte wegen der Polstellen in der Impedanzfunktion zu extremen Werten für die Impedanz und damit zu instabilen Lösungen. Es wurde daher ebenfalls unmittelbar die Impedanz für eine feste Frequenz optimiert, was zu einer Reduktion der Anzahl der Parameter und einer deutlichen Beschleunigung der Optimierung führte. Bei nur zwei Parametern dauerte die adjungierte Optimierung allerdings deutlich länger als auf Basis finiter Differenzen. Als anwendungsrelevanter Test wurden Linerflächen in einem Bypass-Kanal mit Einbauten optimiert. Die eingesetzte Gitterinterpolationstechnik Chimera führte im Übergangsbereich zwischen den Gittern zu Problemen durch Mehrdeutigkeiten der Linerparameter. Diese konnten durch Anwendung des Chimera-Verfahrens auf die Modellparameter gelöst werden. Die abgestrahlte Schallleistung konnte durch Optimierung erheblich reduziert werden. Bei örtlich konstanter Impedanz betrug die Reduzierung 17.8 dB für die globale und 26.9 dB für die gradientenbasierte Optimierung. Zum ersten Mal wurde das Lärmminderungspotential von Linern mit patchweise variierender Impedanz im Kanal und auf den Einbauten numerisch untersucht. Mit 32 Liner-Patches stieg die Reduktion um weitere 6.9 dB auf 33.2 dB. Mit mehr Patches in Umfangsrichtung ergaben sich nur noch geringe Verbesserungen. Der Gradient wurde erstmals punktweise für die gesamte Lineroberfläche berechnet. Er lieferte Hinweise, dass mehr Patches in axialer Richtung bessere Ergebnisse liefern könnten. Liner mit patchweise variierender Impedanz bieten ein großes zusätzliches Lärmminderungspotential, das sich wegen der benötigten Rechenzeit ohne einen adjungierten Löser nicht erschließen ließe. Die Dämpfungswirkung der Liner auf den Einbauten war in dieser Konfiguration vernachlässigbar.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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“A Two-Level Approach for Design Optimization of Acoustic Liners”, Proceedings of 9th International Conference on Computational Fluid Dynamics, ICCFD9-2016-184, 2016
E. Özkaya, J. Abdel Hay, N. R. Gauger, N. Schönwald, und F. Thiele
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“Application of an Adjoint CAA Solver for Design Optimization of Acoustic Liners”, “Proceedings of the 22nd AIAA/CEAS Aeroacoustics Conference, AIAA Paper 2016-2775, 2016
J. Abdel Hay, E. Özkaya, N. R. Gauger, und N. Schönwald
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“Development of an Adjoint CAA Solver for Design Optimization of Acoustic Liners”, Proceedings of the 22nd AIAA/CEAS Aeroacoustics Conference, AIAA Paper, 2016-2778, 2016
E. Özkaya, E., J. Abdel Hay, N.R. Gauger, und F. Thiele
