Numerische Analyse der Lärmmechanismen an Hochauftriebshilfen mit Verfahren hoher Ordnung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Wolfgang Schröder
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2005 bis 2010
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 5446646

• Erstellungsjahr: 2010

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)

• Aeroacoustic Simulations for Complex Geometries Based on Hybrid Meshes. Proceedings of the 12th AIAA/CEAS Aeroacoustics Conference, AIAA-2006-2418, Cambridge, Massachusetts, USA, 2006
  J. Utzmann, F. Lörcher, M. Dumbser und C.-D. Munz
  
• Heterogeneous domain decomposition for computational aeroacoustics. AIAA Journal 44 (2006), 2231 -2250
  J. Utzmann, T. Schwartzkopff, M. Dumbser, C.-D. Munz
  
• Numerical analysis of sound generating mechanisms ofa high-lift device. In C. Tropea, S. Jakiriic, H.-J. Heinemann, R. Henke, and H. Hönlinger, editors, New Results in Numerical and Experimental Fluid Mechanics VI, volume 96 of Notes on Numerical Fluid Mechanics and Multidisciplinary Design, pages 421-29. Springer Beriin, Heidelberg, New York, 2006
  D. König, W. Schröder, and M. Meinke
  
• A Coupling Scheme for Direct Numerical Simulations wilh an Acoustic Solver. In CEMRACS 2005 - Computational Aeroacoustics and Computafional Fluid Dynamics in Turbulent Flows, ESAIM: Proceedings, Vol. 16, pp. 1-15, E. Cances and J.-F. Gerbeau (editors), 2007
  A. Babucke und M. Dumbser und J. Utzmann
  
• Decompositions for Aeroacoustic Simulations in Complex Domains. Proceedings of the 33rd German Annual Conference on Acoustics (DAGA), Stuttgart, Germany, 2007.
  J. Utzmann und C.-D. Munz
  
• Domain Decompositions for CAA in Complex Domains. Proceedings ofthe 13th AIAA/CEAS Aeroacoustics Conference, AIAA-2007-3488, Rome, Italy, 2007
  J. Utzmann und C.-D. Munz
  
• Large-eddy simulation of the flow around a high-lift airfoil conflguration. In R. Friedrich, N. A. Adams, J. K. Eaton, J. A. C. Humphrey, N. Kasagi, and M. A. Leschziner, editors, Fifth International Symposium on Turbulence and Shear Flow Phenomena, pages 885-890, 2007
  D. König, W. Schröder, and M. Meinke
  
• Large-eddy simulation of the flow around a high-lift airfoil conflguration. In R. Friedrich, N. A. Adams, J. K. Eaton, J. A. C. Humphrey, N. Kasagi, and M. A. Leschziner, editors. Fifth Intemational Symposium on Turbulence and Shear Flow Phenomena, pages 885-890, 2007.
  D. König, W. Schröder, and M. Meinke
  
• Linearized acoustic periurbation equalions for low Mach number ßow with variable density and temperature. Joumal of Computational Physics (2007), 352-364
  C.-D. Munz, M. Dumbser, S. Roller
  
• Space-Time Discontinous Galerkin Method for Unsteady Compressible Navier-Stokes Equations. 13th AIAA/CEAS Aeroacoustics Conference (28th AIAA Aeroacoustics Conference), AIAA-2007-3477, Rome, Italy, 2007
  F. Lörcher, G. Gassner, C.-D. Munz
  
• A Hybrid Method for CAA. 16. DGLR / STAB - Symposium, November 2008
  A. Birkefeld und C.-D. Munz
  
• Aeroacoustic prediction of jet and slat noise. In High Performance Computing in Science and Engineering '07, volume 5, pages 387-408. Springer Berlin / Heidelberg, 2008
  E. Gröschel, D. König, S. R. Koh, W. Schröder, and M. Meinke
  
• Aeroacoustic study of forward facing step using linearized Euler equations. Physica D 237 (2008), 2184-2189
  I. Ali, S. Becker, J. Utzmann, C.-D. Munz
  
• Building Blocks for Direct Aeroacoustic Simulations based on Domain Decompositions. 14th AIAA/CEAS Aeroacoustics Conference (29th AIAA Aeroacoustics Conference), Mai 2008
  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
  
• Zonal Large-Eddy Simulations and Aeroacoustics of High-Lift Airfoil Conflgurations. In R. Friedrich, N. A. Adams, J. K. Eaton, J. A. C. Humphrey, N. Kasagi, and M. A. Leschziner, editors. Computational Science and High Performance Computing III, volume 101, pages 136-154. Springer Berlin / Heidelberg, 2008.
  M. Meinke, D. König, Q. Zhang, and W. Schröder
  
• A Hybrid Method for CAA. 15th AIAA/CEAS Aeroacoustics Conference (30th AIAA Aeroacoustics Conference), Mai 2009
  A. Birkefeld, J. Utzmann und C.-D. Munz
  
• Heterogeneous parallelism of aero-acoustic applications using PACX-MP1. Interdisciplinary Information Sciences 15 (2009), 79-84
  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
  
• Investigation of Slat Noise Mechanisms. In EUROMECH Colloquium 504, Munich, 2009
  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, Intemational Conference on Acoustics, Rotterdam, 2009
  D. König, S. R. Koh, W. Schröder, and M. Meinke
  
• 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
  
• Slat Noise Source Identiflcation. In 15th AIAA/CEAS Aeroacoustics Conference. AIAA Paper 2009-3100, 2009
  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
  
• 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