Overset-LES for Airframe Noise Investigation

 
 
Technische Uni Braunschweig NFL (Verlag)
  • 1. Auflage
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  • erschienen in 2020
 
  • Buch
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  • Softcover
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  • 123 Seiten
978-3-947623-30-3 (ISBN)
 
This work is dedicated to the establishment of a scale-resolving simulation tool for the prediction of airframe noise. The method is based on an evolution of the Computational Aeroacoustics code PIANO, in which the Non-Linear Perturbation Equations are extended with viscous terms leading to the full Navier-Stokes equations. The implementation of a subgrid-scale model enables a hybrid zonal RANS/LES method denoted as Overset-LES to emphasise its application on top of a time-averaged background flow. The sound sources related to airframe noise are often restricted to a region where a turbulent flow interacts with geometric edges. In a multi-step approach, these sound sources are first locally captured by means of an Overset-LES and subsequently propagated to the far-field with a 2D CAA propagation simulation. Stochastic volume forcing for turbulence reconstruction is applied at the inflow boundaries of the Overset-LES to expedite the development of realistic turbulence; which allows to keep the computational domain relatively small. The latter is validated for the flow over a flat plate. The entire process chain is applied to a well-defined NACA0012 simulation, which serves as a baseline case for subsequent studies related to noise reduction. Both the local turbulence statistics of the Overset-LES and the resulting far-field noise from the propagation simulation agree well with experimental reference data. The noise attenuation effect of a porous trailing-edge insert is numerically evaluated via a volume-averaged model considering a linear Darcy term and a non-linear Forchheimer term. A distinct noise reduction of up to 4 dB is observed, which is in good accordance with experimental findings that employed the same material. The noise reduction is explained by a breakdown of turbulent structures in the spanwise direction. The observation of high-frequency noise is attributed to increased surface roughness at the porous-fluid interface. Both phenomena are consistent with findings in literature. In a following study, the noise contribution from the slat of a three-element airfoil in high-lift configuration is evaluated by means of an Overset-LES and subsequent sound propagation. Two different geometries are compared under the same lift conditions, i.e., a well-defined baseline case and a long chord slat geometry for noise mitigation. The baseline case proved that the complex turbulent flow phenomena in the slat cove region are accurately captured. Furthermore, a noise reduction between 2 dB and 5 dB (depending on the radiation angle) is observed for the modified geometry compared to the reference, which is in agreement with experimental findings.
 
Diese Arbeit widmet sich der Entwicklung eines skalenauflösenden Simulationsverfahrens zur Vorhersage von Flugzeugzellenlärm. Die Methode basiert auf einer Weiterentwicklung des CAA Codes PIANO, in dem die nichtlinearen Euler Gleichungen mit viskosen Termen erweitert wurden. Dies führt schließlich auf die kompressiblen Navier-Stokes Gleichungen in Störungsform. Anhand der Erweiterung durch ein Grobstrukturmodell ergibt sich eine hybride zonale RANS/LES Simulationsmethode, welche aufgrund des Störungsansatzes über einer zeit-gemittelten Hintergrundströmung durchgeführt wird (Overset-LES). Die Schallquellen im Zusammenhang mit Flugzeugzellenlärm sind oftmals auf ein begrenztes Gebiet beschränkt, in dem eine turbulente Strömung mit geometrischen Ecken und Kanten interagiert. In einem mehrstufigen Verfahren werden hier zunächst die Schallquellen mittels einer Overset-LES lokal erfasst und anschließend in einer 2D CAA-Simulation in das Fernfeld übertragen. Die fehlende Turbulenz an den Einstromrändern der Overset-LES wird mithilfe stochastisch modellierter Strukturen rekonstruiert und eingekoppelt. Dies beschleunigt die Entwicklung realistischer Turbulenz und ermöglicht eine Verkleinerung der Rechendomäne. Die Methode der Turbulenzrekonstruktion wird anhand der Simulation einer ebenen Platte validiert. Die
gesamte Prozesskette wird auf einen wohldefinierten Testfall eines symmetrischen NACA0012 Profils angewendet, welcher in nachfolgenden Studien als Referenzfall dient. Sowohl die lokale Turbulenzstatistik der Overset-LES, als auch die resultierende Fernfeldakustik aus der 2D Propagationssimulation, stimmen gut mit den experimentellen Vergleichsdaten überein. Die Um- und Durchströmung poröser Materialien wird durch ein volumengemitteltes Modell unter Berücksichtigung eines linearen Darcy-Terms und eines nichtlinearen Forchheimer-Terms numerisch abgebildet. Die Simulation eines NACA0012 mit poröser Hinterkante sagt eine Lärmminderung von maximal 4 dB gegenüber dem Referenzfall mit solider Hinterkante voraus, welches die Beobachtungen in Windkanaluntersuchungen bestätigt. Die Schallreduktion kann auf den Zerfall turbulenter Strukturen in spannweitiger Richtung zurückgeführt werden. Darüber hinaus weist das Fernfeldspektrum hochfrequenten Zusatzschall auf, der durch erhöhte Wandrauigkeit der offenporigen Oberfläche verursacht wird. Beide Phänomene stehen im Einklang mit den Erkenntnissen in der Literatur. In einer weiterführenden Studie wird die Schallentstehung am Vorflügel eines Hochauftriebsprofils mittels einer lokal ausgeführten Overset-LES und anschließender Fernfeldpropagation untersucht. In diesem Zusammenhang werden zwei verschiedene Geometrien unter gleichen Auftriebsbedingungen betrachtet. Zunächst wird eine klar definierte Referenzgeometrie untersucht und mit experimentellen Messdaten verglichen. Anschließend wird das Lärmminderungspotential einer verlängerten Vorflügelgeometrie bewertet. Für den Referenzfall kann gezeigt werden, dass die komplexen turbulenten Strömungsphänomene im Bereich des Vorflügelspaltes durch die Overset-LES korrekt wiedergegeben werden. Im Vergleich zum Referenzfall wird für den länger ausgeführten Vorflügel eine Lärmreduktion, abhängig vom Abstrahlwinkel, zwischen 2 dB und 5 dB vorhergesagt. Dies stimmt mit Erkenntnissen aus Windkanaluntersuchungen überein.
  • Dissertationsschrift
  • |
  • 2020
  • |
  • Technische Universität Braunschweig
  • Englisch
  • Braunschweig
  • |
  • Deutschland
  • Für Beruf und Forschung
  • Neue Ausgabe
  • Klappenbroschur
  • Höhe: 20.9 cm
  • |
  • Breite: 14.8 cm
978-3-947623-30-3 (9783947623303)

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