Aircraft Fuselage Vibration Excitation by Turbulent Boundary Layer Flow in Cruise

Kurzfassung

Today, the turbulent boundary layer (TBL) is the major source for aircraft cabin interior acoustics. Due to the decreasing contribution of aircraft engines to the cabin noise levels, the importance of TBL as source is increasing. Especially aircraft manufacturers are interested in building the quietest and most comfortable aircraft in the market. To do so, it is of interest to investigate the TBL as a noise source and being able to precisely estimate its contribution to the interior noise everywhere on the aircraft. This thesis deals with the prediction of aircraft fuselage vibration excitation by TBL at typical cruise flight conditions. To characterize the excitation by TBL, information about the frequency dependent pressure fluctuations, thus the strength of turbulence is necessary. Furthermore, the development of turbulence in space and time is important. These information are covered by the auto-spectrum as well as the wavenumber-frequency spectrum. In a first step, measured auto-spectra during flight tests are post-processed and analyzed as a validation data base. Furthermore, models for auto-spectra and wavenumber-frequency spectra are reviewed from literature and finally, an enhanced auto-spectrum model is developed. To do so, Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) computational fluid dynamics (CFD) computations with DLR's TAU code are performed and the aerodynamic data is used as input for the development of the new auto-spectrum model. Parallel to these semi-empirical modeling activities, a full numerical approach is followed to predict the TBL in terms of auto-spectra and wavenumber-frequency spectra. Therefore, the Fast Random Particle-Mesh Method (FRPM) from DLR is applied to distinct parts of an Airbus A320 at cruise flight conditions. Beside this, the predicted excitation models are numerically applied to aircraft fuselage sections by using the Statistical Energy Analysis (SEA) and the structural response of several subsystems is analyzed. Finally, the numerically estimated structural vibrations are compared with analyzed measured vibrations from flight tests on the real aircraft structure. The new developed auto-spectrum model demonstrates a good reliability in the prediction of auto-spectra on an aircrafts fuselage within its aerodynamic limits. Beside this, predicted and measured structural vibrations collapse over a large frequency range for the tested areas. This new method enables a CFD based prediction of auto-spectra everywhere on a fuselage and therefore, the calculation of structural excitation. Die turbulente Grenzschicht (TBL) ist die Hauptlärmquelle der Kabinenakustik bei heutigen Verkehrsflugzeugen. Durch den verringerten Schalleintrag aus modernen Triebwerken steigt die Relevanz der TBL als Lärmquelle für die Flugzeugkabine. Flugzeughersteller haben das Ziel, das leiseste und komfortabelste Flugzeug auf dem Markt zu bauen. Um dieses Ziel zu erreichen, ist es von großer Bedeutung die TBL als Lärmquelle genau zu verstehen und den Schalleintrag in der gesamten Flugzeugkabine berechnen zu können. Diese Doktorarbeit beschäftigt sich mit der Vorhersage von Rumpfstrukturanregung bei Verkehrsflugzeugen durch die TBL bei typischen Reiseflugbedingungen. Um die Anregung zu charakterisieren, müssen Informationen über die frequenzabhängigen Druckfluktuationen, also die Stärke der Turbulenz vorliegen. Außerdem sind Informationen über die räumliche und zeitliche Entwicklung der Turbulenz unabdingbar. Diese Informationen werden über das Autospektrum sowie das Wellenzahlfrequenzspektrum abgebildet. Im ersten Schritt werden Flugtestdaten ausgewertet, die zur Validierung herangezogen werden. Nachfolgend werden Modelle für Autospektren und Wellenzahlfrequenzspektren aus der Literatur verglichen und in einem weiteren Schritt wird ein bestehendes Modell zur Vorhersage von Autospektren weiterentwickelt. Für diese Weiterentwicklung werden numerisch die Zustandsgrößen der Strömung berechnet (CFD), wobei der "Reynolds averaged Navier Stokes" (RANS) Löser TAU des DLR genutzt wird. Die Strömungsgrößen werden als Eingangsgrößen für das neue Autospektren-Modell genutzt. Parallel zu den semi-empirischen Modellierungen wird ein voll numerischer Ansatz verfolgt, um die Autospektren und Wellenzahlfrequenzspektren der TBL vorherzusagen. Hierzu wird die "Fast Random Particle-Mesh" Methode (FRPM) des DLR in bestimmten Bereichen eines Airbus A320 bei Reiseflugbedingungen angewendet. In einem weiteren Schritt werden die Anregungsmodelle mit Hilfe der Statistischen Energieanalyse (SEA) numerisch an eine Flugzeugstruktur gerechnet und die daraus resultierenden Strukturvibrationen ausgewählter Subsysteme ausgewertet. Abschließend wird die numerische Vorhersage mit den gemessenen Strukturvibrationen des A320 aus Flugtests verglichen. Das neu entwickelte Autospektrenmodell zeigt eine hohe Vorhersagegenauigkeit innerhalb der definierten aerodynamischen Grenzen. Des Weiteren liegen die vorhergesagten und gemessenen Strukturvibrationen in einem großen Frequenzbereiche übereinander. Die neue Methode ermöglicht eine CFD basierte Vorhersage der Autospektren überall auf dem Flugzeugrumpf und somit auch die Berechnung der Strukturvibrationsanregung des Rumpfes.