Forschung im HLRN-Verbund 2011

104Das Flugzeug muss leiser werdenUntersuchung und Beeinflussung von Breitbandlärm in Turbomaschinen mitneuartigen hybriden SimulationsverfahrenB. Greschner, F. Thiele, Institut fürStrömungsmechanik und Technische Akustik,Technische Universität BerlinKurzgefasst• Flugzeuge müssen leiser werden um die Belastungfür die Umwelt und den Menschen zu reduzieren• Bei Start/Landung sind Triebwerke einer derHauptverursacher des Lärms• Die Auslegung von Flugzeugtriebwerken hinsichtlichdes breitbandigen Lärms erfolgtheutzutage größtenteils empirisch, da dieLärmentstehungsmechanismen weitgehend unbekanntsind• Neueste hybride RANS/LES-Verfahren sollenerstmalig im Bereich der Turbomaschinen angewendetwerden um die Verhersagemöglichkeitenmittels direkter numerischer Simulation in diesemBereich zu demonstrieren• Die Analyse der hochauflösenden Strömungssimulationensoll die hauptsächlichen Lärmentstehungsmechanismenidentifizieren und quantifizieren• Aktive und passive Methoden zur Beeinflussungdes Lärms in Triebwerken werden untersuchtDie zukünftigen Verschärfungen im Lärmschutz beigleichzeitiger Zunahme des Flugverkehrs resultierenin der Forderung nach immer leiseren Flugzeugenbzw. deren Komponenten. Während sichin den vergangenden Jahrzehnten deutliche Fortschrittevorallem im Bereich des damals vorherrschendenFreistrahllärms abzeichneten, tritt nunder durch die Komponenten im Bypassstrom desTriebwerkes verursachten Lärm in den Vordergrund.Besonders kritisch werden dieser Effektebei den von den Turbinenherstellern für die Zukunftfavorisierten ’Ultra-High-Bypass-Ratio Fans’(UHBR-Fan), da hier der Lärm hauptsächlich vonRotor, Stator und Interaktion von diesen im Bypassstromverursacht werden – der Freistrahllärmtritt weiter in den Hintergrund. In den letzten Jahrenwurden mit grossem Aufwand die Quellmechanismenvon tonalen Anteilen des Bypasslärmsuntersucht und Fortschritte bei der Verminderung/Kontrollediese Lärmquellen gemacht. Der imBypass verursachte Breitbandlärm wurde bisherjedoch kaum untersucht, da hier einerseits experimentellaber vorallem auch von der Simulationsseiteher enormer Aufwand betrieben werden muss.Die sehr schnell rotierenden Rotorblätter produzierenein hochgradig turbulentes und instationäresStrömungsfeld. Die Interaktion dieser kleinskaligenturbulenten Strukturen mit Einbauten, Kanten,Statorblättern und den nachfolgenden Stufenläßt sich nur unzureichend mit einfachen Modellenerfassen. Die direkte numerische Simulationder lärmverursachenden instationären Strömungist erforderlich für ein besseres Verständnis derLärmquellen in Triebwerken.In unserem Projekt werden einerseits Verfahrenzur Simulation bzw. Vorhersage von Breitbandlärmin Turbomaschinen untersucht, andererseits werdenerste Konzepte zur Beeinflussung diesesBreitbandlärms zur Verringerung des gesamtenabgestrahlten Schalls untersucht. Die hauptsächlichenbreitbandigen Lärmquellen sind dabei einerseitsder ’Selfnoise’, d.h. der durch die turbulenteUmströmung von Rotor und Stator erzeugte Lärm.Hierbei interagieren die kleinen, stark chaotischenGrenzschichtstrukturen mit der Flügelhinterkanteund generieren breitbandigen Lärm. Des weitereninteragieren die vom Rotor generierten turbulentenStrukturen mit dem Stator, dies ist der sogenannte’Interaction noise’. Der tonale Anteil ist hier besondersdominant, gekennzeichnet durch die ’bladepassing frequency’ (BPF), ist andererseits durchseine periodisches Verhalten gut verstanden undauch beeinflussbar. Der breitbandige Anteil am ’Interactionnoise’ ist bisher jedoch kaum untersuchtworden, da er mit dem ’Selfnoise’ ein gekoppeltesProblem darstellt. Die dritte vorherschende breitbandigeSchallquelle in Turbomaschinen ist der’rotor tip clearence flow’, d.h. die Endspitzenwirbelder schnell drehenden Rotorblätter interagierenmit der turbulenten Grenzschicht des Turbinengehäuses.Die numerischen Kosten bei derartigen Untersuchungensind enorm, da die Geometrien vonTurbomaschinen sehr komplex sind und eine gewisseMindestanzahl von Rotor- und Statorblätternfür eine Passage gerechnet werden müssen - vereinfachteModellierung wie bei stationären und instationärenRANS-Simulationen sind bei der Untersuchungvon Breitbandlärm nicht möglich. Desweiteren sind die in der Praxis relevanten MachundReynolds-Zahlen sehr hoch und damit dieGrenzschichten sehr dünn. Dabei erfordert jedochdie detailierte Analyse der Akustik eine aufgelösteSimulation zumindestens des turbulenten Berei-Ingenieurwissenschaften