Optimisation of Liner Geometries to Maximise Dissipation in Predefined Frequency Ranges

Abstract

Wandauskleidungen wie z.B. akustische Liner, können zur Minimierung der Lärmemission verwendet werden. Dabei werden die sich im Kanal ausbreitenden Schallwellen gedämpft. Auf diese Weise können Wandauskleidungen zur Entwicklung leiserer Flugzeugtriebwerke beitragen. Die Abteilung Triebwerksakustik des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) erforscht in Zusammenarbeit mit dem Fachgebiet Turbomaschinen und Thermoakustik der Technischen Universität Berlin die akustischen Eigenschaften verschiedener Liner-Geometrien sowie die Modellierung dieser akustischen Eigenschaften. Oftmals basiert die Auslegung von Linern auf empirischen Daten und numerischen Simulationen, wie z.B. einem CFD-CAA Hybridansatz. Ein simulationsbasierter Ansatz kann jedoch rechenintensiv und zeitaufwendig sein, was ihn für eine Optimierung der Linergeometrie oft ungeeignet macht. Eine mögliche Lösung ist die Verwendung semi-empirischer Impedanzmodelle zur Berechnung der Dämpfung von Liner-Geometrien. Ziel dieser Arbeit ist es, eine Optimierungsschema zur Bestimmung der Geometrie eines akustischen Liners zu entwickeln, welche die Dämpfung in einem vordefinierten Frequenzbereich maximiert. Bestehende akustische Impedanzmodelle wie das Guess-Modell wurden modifiziert und in Verbindung mit einer numerischen Lösung der konvektiven Helmholtz-Gleichung verwendet, um die Streukoeffizienten für verschiedene Liner-Geometrien zu berechnen. Für die Validierung dieser Methode zur Bestimmung der Streukoeffizienten wurden verfügbare Messdaten des DLR herangezogen. Diese Methode wurde in Kombination mit nicht gradientengestutzten Optimierern verwendet, um ein Optimierungsschema zu entwickeln. Die Optimierung wurde für zwei verschiedene zu dämpfende Zielfrequenzbereiche durchgeführt bei einem Schalldruckpegel von 140 dB. Um die Auswirkungen einer Überströmung zu untersuchen, wurde für die Optimierung eine Strömungsgeschwindigkeit von Mach 0,1 gewählt. Beide Liner wurden 3D gedruckt und in einem DLR-Prüfstand getestet. Ein Vergleich zwischen den Experimenten am Prüfstand und den Vorhersagen zeigt, dass die prädiktive Methode gut geeignet ist, um die Dissipationskoeffizienten bei einer Centerline Machzahl von bis zu Mach 0,2 zu berechnen. Das vorhersagende Modell ist jedoch besser geeignet, um die Dissipationskoeffizienten bei schallanregung in der Strömungsrichtung (D+) zu berechnen. Ebenfalls hat die vorgestellte Methode Schwierigkeiten, die Dissipationskoeffizienten in und gegen der Strömungsrichtung (D+ und D-) fur höhere Überströmungsmachzahlen (z.B. Mach 0,3) zu berechnen. Darüber hinaus haben die Messungen am Prüfstand gezeigt, dass die maximale Dissipation, bei schallanregung in und gegen der Strömungsrichtung, bei Überströmung im Vergleich zum Fall ohne Überströmung zunimmt. Die Untersuchung zeigt, dass die durchgeführten Optimierungen in dem vorgegebenen Frequenzbereich als Erfolg gewertet werden können.