Overset-LES of Passive Methods for Trailing Edge Noise Reduction Berichte aus der Luft- und Raumfahrttechnik, Forschungsbericht 2022-01

Titel: Overset-LES von Passiven Methoden zur Minderung von Hinterkantenlärm Kurzfassung: Mit stetig wachsendem Flugverkehr ist auch der zunehmende Fluglärm zu einem drängenden Problem geworden. Während der Landephase eines Flugzeugs ist der Flugzeugzellenlärm mit dem Antriebslärm vergleichbar. Daher ist die Reduzierung des Flugzeugzellenlärms zwingend erforderlich, um den Fluglärm insgesamt zu reduzieren. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf Lärmminderungskonzepte für einen Tragflügel, sowohl in klassischer Hinterkanten- als auch in Hochauftriebskonfiguration. Im letzteren Fall wurde eine anliegende Strömung durch Verwendung eines Coanda-Jets an der Klappe ermöglicht. Zu den von der Natur inspirierten passiven Lärmminderungsmethoden, die in der aktuellen Studie untersucht wurden, gehören poröse Materialien und spannweitig angeordnete Finlets. Es wurden skalenauflösende Simulationen mit einem multi-fidelity Ansatz, einer zonalen Overset-Large-Eddy-Simulationsansatz (Overset-LES), durchgeführt. Bei diesem Ansatz werden die kompressiblen Navier-Stokes-Gleichungen in Störungsform über einer konstanten Hintergrundströmung gelöst. Der Effekt von porösem Material wurde mit einem volumengemittelten Ansatz modelliert, welcher zu einem linearen Darcy-Term und einem nichtlinearen Forchheimer-Term führt. Die für die zonale Methode erforderliche Turbulenz am Einströmrand wurde durch die Fast Random Particle Mesh-Methode bereitgestellt. Um den Schalldruckpegel im Fernfeld zu berechnen, wurde der fluktuierende Lambvektor-Term gemittelt und als Schallquelle in die APE Gleichungen eingekoppelt. Die Verwendung poröser Materialien an der Hinterkante des DLRF16 führte zu einer Reduzierung des Fernfeldschalls von insgesamt 5 dB. Die berechnete Turbulenzstatistik zeigte eine gute Übereinstimmung mit Vergleichsdaten aus dem Experiment. Als Lärmminderungsmechanismen ergaben sich ein Zusammenbruch der spannenweitigen Kohärenz in Verbindung mit einer Verringerung der Konvektionsgeschwindigkeit der drucktragenden Wirbel. Das Fernfeldspektrum zeigte eine Lärmreduktion im tiefen bis mittleren Frequenzbereich und Zusatzschall in Form einer Schallerhöhung im mittleren bis hohen Frequenzbereich. Es wurde angenommen, dass dieser Effekt mit der Reibung zwischen der Strömung und dem porösen Material zusammenhängt. Im Weiteren wurde eine mit einem Coanda-Jet ausgestattete spaltlose Klappe mithilfe einer skalenauflösende Simulation untersucht. Die Overset-LES zeigte eine qualitative und quantitative Korrektur der Hintergrundströmung. Die Bewertung der isolierten aeroakustischen Quellen ergab, dass der Krümmungslärm, der durch die Beschleunigung der Strömung über die Krümmung entsteht, in allen Richtungen, mit Ausnahme von $\theta$ $\in$ [180$^\circ$, 280$^\circ$], größer ist als der Hinterkantenlärm der Klappe. Schließlich wurde eine Overset-LES eines NACA0012-Profils mit spannweitig verteilten Finlets durchgeführt. Die Verwendung von Finlets führt dazu, dass sich die energiereichsten Wirbel von der Wand entfernen, was zu einem schwächeren Streuungseffekt des Schalls führte. Die Finlets reduzierten die Intensität der Oberflächendruckschwankungen im mittleren bis hohen Frequenzbereich. Die Beobachtungen wurden durch numerische und experimentelle Studien bestätigt.