Numerische Simulation des aerodynamischen und akustischen Feldes einer Düse-Flügel-Klappen Konfiguration

Abstract

Im Rahmen dieser Arbeit wurden ein Fernfeldlöser basierend auf den linearisierten Euler-Gleichungen und ein Fernfeldlöser basierend auf der akustischen Analogie von Ffowcs Williams & Hawkings für akustische Problemstellungen mit Konvektion in das Open-Source Paket Overture implementiert, sowie Large-Eddy Simulationen des aerodynamischen und akustischen Feldes eines isolierten Tragflügels und verschiedener Düse-Flügel-Klappe Konfigurationen durchgeführt. Zur Validierung der Methoden und Verifikation ihrer Implementierung wurden spezielle Testfälle zur Evaluation von CFD/CAA-Programmcode durchgeführt. Darüber hinaus wurden die kompressible Umströmung eines NACA0012 Tragflügels mit einer Machzahl der Anströmung von 0.4 und der Reynoldszahl, basierend auf der Sehnenlänge von 408000 sowie ein kompressibler runder Freistrahl mit M = 0.9 und der Reynoldszahl, basierend auf dem Düsendruchmesser von 3600 simuliert. Die numerischen Berechnungen zeigten in allen Fällen eine gute Übereinstimmung mit den analytischen Lösungen beziehungsweise den Ergebnissen aus Messungen und direkten numerischen Simulationen aus der Literatur. Darüber hinaus diente die Freistrahlsimulation zur Findung einer geeigneten Aufspaltung des Lighthillspannungstensors, und zum Test, ob eine Richtungsableitung Rückschlüsse auf die Richtcharakteristik einzelner Komponenten der Lighthill-Quelle basierend auf instantanen Daten zulässt. Die Simulationen zeigten, dass die vorgeschlagene Auswertung instantaner Lighthill-Quellen und deren linearer Anteile und nicht linearer Anteile Rückschlüsse auf die Richtcharakteristik des emittierten Schallfelds erlauben. Die Ergebnisse bestätigen, dass der nicht lineare Anteil keine Vorzugsrichtung hinsichtlich der Schallabstrahlung aufweist, während der lineare Anteile eine klare Vorzugsrichtung entlang der Freistrahlachse und nur einer sehr geringe akustische Abstrahlung orthogonal dazu besitzt. Ferner zeigte sich, dass ein erhöhter Wert für linearen Anteile mit Bereichen kohärenter Wirbelstrukturen und großer Gradienten in der mittleren Geschwindigkeit zusammenfällt und das korrespondierende Schallspektrum für Winkel von < 30° , gemessen von der Freistrahlachse, durch ein Peak bei der Strouhalzahl von 0.2 gekennzeichnet ist. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurden Düse-Flügel-Klappe Konfigurationen mit unterschiedlichen Klappenwinkeln und Bypassgeschwindigkeiten simuliert. Dabei stellte sich heraus, dass die in Experimenten aufgetretenen Buckel im mittleren vierstelligen Frequenzbereich des Druckspektrums auf eine Rückkopplung zwischen Klappe und unterer Flügelhinterkante zurückzuführen sein könnten. In der Kombination mit Tragflügel und Düse, treten auf der Flügel-und Klappenunterseite im Mittel erhöhte Werte des Lighthill-Quellterms auf, welche im Fall des isolierten Tragflügels nicht beobachtet wurden. Außerdem war eine starke Kontamination mit Schall der Frequenz um 3.6 kHz im Bereich unterhalb der Düse zu beobachten. Aus der Analyse der einzelnen Lighthill-Quellkomponenten hinsichtlich ihrer bevorzugten akustischen Abstrahlung wird vermutet, dass gerichteter Schall aus dem Bereich des Potentialkerns an Flügel- und Klappenunterseite reflektiert wird, wobei die Geschwindigkeitsdifferenz zwischen Primär- und Sekundärstrahl eine nicht zu vernachlässigende Rolle bei der Brechung und Streuung des aus dem Primärstrahl stammenden Schalls spielt.

In this work, a far-field solver based on the linearized Euler equations and a far-field solver based on the acoustic analogy of Ffowcs Williams & Hawkings for acoustic problems with convection were implemented in the open source package Overture, and large-eddy simulations of the aerodynamic and acoustic field of an isolated airfoil and various nozzle-wing flap configurations were performed. To validate the methods and verify their implementation, special test cases were performed to evaluate CFD/CAA program code. In addition, compressible flow around a NACA0012 aerofoil with free stream Mach number of 0.4 and Reynolds number based on chord length of 408000 and a compressible jet with M = 0.9 and Reynolds number based on nozzle diameter of 3600 were simulated. In all cases, the numerical calculations showed good agreement with the analytical solutions and the results from measurements and direct numerical simulations from the literature, respectively.In addition, the jet simulation was used to find a suitable decomposition of the Lighthill stress tensor and to test whether its directional weighting allows conclusions to be drawn about the directionality of individual components of the Lighthill source based on instantaneous data. The simulations showed that the proposed evaluation of instantaneous Lighthill sources and their linear components and nonlinear components allow conclusions to be drawn about the directivity of the emitted sound field. The results confirm that the non-linear component has no preferred direction with respect to sound radiation, while the linear component has a clear preferred direction along the jet axis and only a very small acoustic radiation orthogonal to it. Furthermore, an increased value for linear components was found to coincide with regions of coherent vortex structures and large gradients in mean velocity, and the corresponding acoustic spectrum for angles of < 30°, measured from the jet axis, is characterized by a peak at the Strouhal number of 0.2. In the second part of this work, nozzle-wing flap configurations with different flap angles and bypass velocities were simulated. It was found that the bumps in the mid-four-digit frequency range of the pressure spectrum that appeared in experiments could be due to feedback between the flap and the lower trailing edge of the wing. In the combination with airfoil and nozzle, increased values of the Lighthill source term occur on the wing and flap lower edge on average, which were not observed in the case of the isolated airfoil. In addition, strong contamination with sound of frequency around 3.6 kHz was observed in the region below the nozzle. From the analysis of the individual Lighthill source components in terms of their preferred acoustic radiation, it is suspected that directional sound from the region of the potential core is reflected from the underside of the wing and flap, whereby the velocity difference between the primary and secondary jets plays a non-negligible role in the refraction and scattering of the sound originating from the primary jet.