Modellierung und Prognose des Grenzschicht-Rotor-Interaktionsschalls für integrierte Triebwerke

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Abstract

Das Ziel der vorliegenden Arbeit besteht darin, einen Beitrag zur Bewertung des Triebwerksschalls bei Flugzeugkonfigurationen mit stark in den Rumpf integrierten Triebwerken zu leisten. Der Motivation der Arbeit folgend, stellt die Einsaugung und Beschleunigung einer verzögerten Rumpfgrenzschicht eine Möglichkeit dar, den Vortriebwirkungsgrad der Triebwerke zu verbessern. Neben der gezielten Grenzschichteinsaugung besteht auch die Möglichkeit, dass eine zunehmende Elektrifizierung der Luftfahrtantriebe zu einem stärker über das Luftfahrzeug verteilten Antrieb führt, welcher die Einsaugung von Teilen der Rumpfgrenzschicht konstruktiv bedingt hinnehmen muss. Zunächst wird dargelegt, dass sich aus der Interaktion eines Rotors mit einer turbulenten Grenzschicht eine neue Schallquelle ergibt, welche sowohl einen rein tonalen als auch einen breitbandigen Charakter mit tonalen Eigenschaften besitzen kann. Der Fokus der Arbeit liegt auf der Modellierung dieser neuartigen Interaktionsschallquelle. Um sich dem Problem mit analytischen Methoden zu nähern, wird eine phänomenologisch motivierte Theorie entwickelt welche darauf abzielt, die innerhalb der turbulenten Strömung vorhandenen kohärenten Strukturen bei der Schallanregung abzubilden und die aerodynamische Anregung in Form von Azimutalmoden zu formulieren. Um die Strömungsgrößen der turbulenten Grenzschichtströmung verfügbar zu machen, wird ein analytisches Modell zur Prognose der mittleren und turbulenten Strömungsparameter einer turbulenten Wandgrenzschicht entwickelt. Dieses Modell nutzt klassische Arbeiten und Ansätze zur Modellierung der genannten Parameter. Um die Darstellung der aerodynamischen Anregung bzw. der Einlaufstörung durch Umfangsmoden für den Breitbandschall zu bewerten und zu validieren, wird diese mit einem bestehenden alternativen Modell, welches auf Arbeiten von Amiet basiert, verglichen und gegen in der Literatur vorhandenen Messdaten und Prognosen bewertet. In der Folge wird das Modell schließlich für die Prognose des durch eine turbulente Grenzschicht angeregten zusätzlichen Triebwerksschalls an zwei technisch relevanten Flugzeugkonfigurationen angewendet. Hierbei handelt es sich um eine Konfiguration mit zwei am Heck eingebetteten Triebwerken, sowie eine Konfiguration mit Triebwerken unter den Tragflächen und einem zusätzlichen elektrisch angetriebenen Aft-Propulsor. Für den prognostizierten rein tonalen Schall ergibt sich, dass aufgrund der modalen Struktur des etablierten Schallfeldes kein cut-off -Design bei der Blattfolgefrequenz möglich ist. Des weiteren existiert ein klarer Zusammenhang zwischen der modalen aerodynamischen Anregung und dem Schallleistungspegel, welcher die Möglichkeit eines Design-to-Noise zur gezielten Beeinflussung der rein tonalen Schallkomponente eröffnet. Hinsichtlich des prognostizierten breitbandigen Grenzschicht-Rotor-Interaktionsschalls ergibt sich ein klarer Zusammenhang zwischen der den Breitbandschall anregenden turbulenten kinetischen Energie und der prognostizierten Schallleistungsdichte.

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• Modellierung und Prognose des Grenzschicht-Rotor-Interaktionsschalls für integrierte Triebwerke. (deposited 20 Dec 2021 08:53) [Currently Displayed]