Numerische Simulation des Breitbandlärms in Turbomaschinen mittels Improved Delayed Detached Eddy Simulation

Bei der Entwicklung moderner Triebwerke steht neben aerodynamischen und wirtschaftlichen Aspekten in zunehmendem Maße die Reduktion der Lärmemissionen im Vordergrund. Der Lärm eines Mantelstromtriebwerks setzt sich aus tonalen und breitbandigen Anteilen zusammen. Die tonalen Lärmentstehungsmechanismen werden dabei relativ gut verstanden und können durch konstruktive Maßnahmen effizient reduziert werden. Die Entwicklung der High-Bypass-Ratio-Triebwerke mit einem relativ langsam drehenden, großen Fan reduziert zwar den tonalen Lärm, führt aber dazu, dass das breitbandige Rauschen durch den großen Rotor-Fan und die Stator-Outlet-Guide-Vanes zum führenden Term bei der Schallentstehung wird. Ein detailliertes Verständnis der Lärmentstehungsmechanismen des Breitbandlärms innerhalb des Triebwerks ist somit eine wichtige Voraussetzung für die weitere Flugzeugentwicklung.
Im Bereich des Fans gibt es drei dominante Breitbandlärmquellen – den Grenzschichtlärm bzw. Hinterkantenlärm von Rotor und Stator, den Rotor-Stator-Interaktionslärm und als dritte signifikante Quelle den Wirbelendspitzenlärm. Allen diesen Breitbandlärmquellen liegen hochgradig instationäre und stochastische Strömungen mit sehr kleinskaligen Strömungsstrukturen zugrunde, die sehr hohe Anforderungen an die Numerik und die Turbulenzmodellierung stellen.
Die vorliegende Untersuchung beschäftigt sich mit der direkten Simulation dieser drei grundlegenden Breitbandlärmquellen und der Analyse der entsprechenden Mechanismen. Ziel der Arbeit ist die Entwicklung und Zusammenführung aller Komponenten, um eine direkte Breitbandlärmsimulation eines Triebwerks mittels der neuartigen Improved Delayed Detached Simulationsmethode (IDDES) auf Basis des TU Berlin-eigenen Navier-Stokes-Lösers ELAN3D zu ermöglichen. Dies erfordert sowohl die Erweiterung und Validierung des kompressiblen Lösers für rotierende Systeme mit den entsprechenden Randbedingungen, die Implementierung eines Sliding-Mesh-Interfaces hoher Ordnung, die Anpassung des Lösers für die Nutzung der Chimera-Overset-Gittertechnik zur Erhaltung der nötigen hohen Gitterqualität, als auch der Evaluierung und Anpassung der IDDES. Es werden schließlich die Vorteile und Möglichkeiten, bzw. Limitierungen bei der Anwendung der IDDES bei der Simulation kompressibler, komplexer dreidimensionaler Strömungen dargestellt und der Breitbandlärm analysiert.