Bericht zu den Arbeiten im LUFO Projekt MUTE: HAP3: Haystacking Methoden und Experimente AP 3.1 Vorstudie zur Turbulenz und AP 3.2 Experimente zum Haystacking

Kurzfassung

Das Phänomen der Tonstreuung in Turbulenzen und Scherschichten wird im Englischen mit dem Begriff Haystacking beschrieben. Das Phänomen tritt weitreichend auf, wenn z.B. Triebwerkstöne in Schubstrahl-Scherschichten, in Windkanal-Scherschichten und Rumpfgrenzschichten eine Tonstreuung erfahren. Es bestehen vielfältige parametrische Abhängigkeiten, deren Mechanismen nicht vollständig geklärt sind. Die verfügbaren Datenbasen sind parametrisch nicht hinreichend, was die eindeutige Nachrechenbarkeit erschwert, zumal numerische Simulationen bisher erst in Ansätzen vorhanden sind. Auch empirische Modell sind bislang nur eingeschränkt anwendbar. Im Rahmen des LUFO Projekts Mute war in dem Hauptarbeitspaket 3 das Ziel, die Nachrechnung von Haystacking Fällen mittels numerischer Simulation. Es galt hier eine Erweiterung des Parameterraums durch begleitende experimentelle Daten aus Versuchen im Aeroakustischer Windkanal Braunschweig (AWB) zu schaffen. In dem vorliegenden Bericht wird über Teile der experimentellen Arbeiten in dem Projekt berichtet. In dem Arbeitspaket 3.1 galt es in einer experimentellen Vorstudie eine geeignete Auswahl für eine Schallquelle zu finden, mit dem das Phänomen des Haystack an einer Düsenströmung nachvollzogen werden konnte. Hierzu wurden Voruntersuchungen am Berliner Strahlprüfstand JexTRA mit aerodynamischen und akustischen Messungen durchgeführt. Begonnen wurde mit der Auswahl der Schallquelle. Es fiel die Wahl auf den Lautsprecher BMS4540, der einen Frequenzgang bis 30kHz bei einem maximalen Schalldruck (Sound pressure level) von max. SPL=132dB erreichen sollte. Dieser Lautsprecher wurde anschließend an verschieden Stellen in den Strahlprüfstand integriert. Um das Haystack Phänomen im Experiment aerodynamisch und akustisch zu untersuchen wurde eine Punktschallquelle künstlich mit einem Lautsprecher erzeugt und über ein Rohr mit einem radial angeordneten Öffnungsschlitz auf der Strahlachse bei verschiedenen Axialabständen vom Düsenaustritt positioniert. Zur Beurteilung der strömungsmechanischen Zustände des experimentellen Aufbaus wurde die Totaldruckverteilung des Strahlaufbaus mit einem Nachlaufrechen an verschiedenen axial Positionen vermessen um die Scherschichtverteilung zu erhalten. Das akustische Feld wurde mit Mikrofonen an 6 verschiedenen Abstrahlwinkeln erfasst. Die Mikrofone wurden in einer reflexionsarmen Auskleidung für akustische Nahfeldmessungen angeordnet. Es zeigte sich, dass die Höhe des Schalldruckpegels der Anregung einen wesentlichen Einfluss auf die Ausprägung des Haystacks im Fernfeld hatte. Allgemein lässt sich festhalten, dass Haystacks sich am deutlichste ausbilden an der hintersten axialen Position bei X=4D und einer möglichst hohen Schallpegelhöhe der Schallanregung. Im zweiten Teil der Studie (AP3.2) galt es die Charakterisierung der Strömungsturbulenz mit Hilfe der Hitzdraht Messtechnik an dem finalen Experimentellen Aufbau im Akustischen Windkanal in Braunschweig durchzuführen und die Turbulenzgrößen für die begleitenden CFD Rechnungen zur Verfügung zu stellen. Im Frühjahr 2023 wurden im AWB nach den akustischen Messungen der Kollegen von AS-TEA Hitzdrahtmessungen an einer Modeldüse mit Kern-, Bypass- und Flugströmung durchgeführt. Ziel dieser Untersuchungen war die Vermessung der Turbulenz der einzelnen Scherschichten der Düsenströmungen. Dazu wurde jeweils ein Sensor in X-Draht Anordnung stromab hinter der Triebwerksdüse an verschiedenen Axialpositionen (X/D=0,1 bis 4) in die beiden Quer-Richtungen (V und Z) traversiert. Somit wurden die Scherschichten der Düse vermessen. Die X-Drahtanordnung ermöglichte das zeitgleiche Aufzeichnen der zwei Geschwindigkeits-Komponenten in einer Sensorebene. Es liegen für jede Konfiguration die Axial- sowie eine der beiden Quer-Komponenten vor. Es sind an insgesamt 675 Messpunkten Zeitreihen von jeweils 4 Sekunden aufgezeichnet worden. Für jeden dieser Messpunkte sind die mittlere Geschwindigkeit, die turbulente kinetische Energie (TKE), die RMS-Geschwindigkeiten, der Turbulenzgrade und die Leistungs-Dichte Spektren bestimmt worden. Die Ergebnisse sind in den einzelnen Anhängen zu diesem Bericht dokumentiert. Die Zeitreihen stehen für weitere Auswertungen zur Verfügung. Die gewonnen Messdaten wurden direkt an die Kollegen von AS-TEA übergeben um sie in den Randbedingungen der begleitenden numerischen Rechnungen zu berücksichtigen.