Numerische Simulation von Aktiver Lärmminderung an einer Triebwerks-Fan-Stufe mittels Aktiver Statoren

Kurzfassung

Durch das Erzeugen eines geeigneten Gegenschallfeldes kann der tonale Lärm einer Triebwerks-Fan-Stufe deutlich reduziert werden. In dem EU-Projekt OPENAIR wird dieser Ansatz sowohl experimentell als auch numerisch untersucht. Dieser Beitrag beschreibt die Herangehensweise zur numerischen Simulation des Primär- und Sekundärschalls mit dem DLR-internen Strömungslöser linearTRACE. Untersucht wird die Blattfolgefrequenz bei einem Betriebspunkt im mittleren Drehzahlbereich. Das Primärschallfeld, angeregt durch die auf die Statorschaufeln treffenden Rotornachläufe, besteht aus den weithin bekannten Tyler-Sofrin-Moden. Für die Anregung des Sekundärschallfeldes werden aktive Statorschaufeln verwendet. Die im Experiment durch Piezoelemente realisierten Aktuatoren werden durch harmonisch bewegte Oberflächen simuliert. Zwei weitere Ringe von Aktuatoren, stromab der Statoren in der Kanalwand montierte Lautsprecher, werden im weiteren Projektverlauf dazu verwendet, die Anzahl an benötigten Freiheitsgraden des Sekundäschallfelds zu regeln. Die grundlegenden Gleichungen sind die semi-diskretisierten, instationären Navier-Stokes-Gleichungen, die linearisiert und in den Frequenzbereich transformiert wurden. Druck-, Dichte- und Geschwindigkeitsstörungen werden einer Hintergrundströmung überlagert, die mittels einer stationären RANS-Rechnung bestimmt wurde. Durch die Zerlegung der Schallfelder in modale Komponenten kann die Schallleistung stromauf und stromab der Fan-Stufe bestimmt werden. Akustische Störungen werden hierbei von hydrodynamischen Störungen getrennt. Die verwendete Methode „Extended Multi-Plane Pressure Mode Matching“ wurde von Weckmüller detailliert beschrieben. LinearTRACE erlaubt es, die Störungsgrößen bei genau einer Frequenz auszubreiten. Da das gesamte Rechengebiet aus Teilgebieten besteht, die entweder im ruhenden System oder in dem mit dem Rotor bewegten System betrachtet werden, ergeben sich für die Teilgebiete unterschiedliche Frequenzen. Die Teilgebiete müssen deshalb in einzelnen Schritten berechnet werden. Für die Erfassung der Reflexionen zwischen Rotor und Stator müssen die entsprechenden Teilgebiete sogar sukzessive mehrfach berechnet werden. Die Betrachtung der modalen Schallleistungen zeigt, dass insbesondere für Moden höherer radialer Ordnung die Reflexionen zwischen Rotor und Stator zu berücksichtigen sind. Berechnet wurden bisher das Primärschallfeld und das Sekundärschallfeld für ein Anregungsszenario der aktiven Statoren. Eine Besonderheit des Rechenverfahrens ist die Möglichkeit, bei der Berechnung des Sekundärschallfeldes die Rotornachläufe nicht auszubreiten, so dass das resultierende Schallfeld direkt dem Sekundärschallfeld entspricht. Da das Primärschallfeld und das durch die aktiven Statoren anregbare Sekundärschallfeld in unterschiedlicher Weise aus den modalen Komponenten zusammengesetzt sind, ist es für eine optimale Unterdrückung des Primärschallfeldes notwendig auch die beiden weiteren Aktuator-Ringe (in der Kanalwand montierte Lautsprecher) zu simulieren. Mit Hilfe der modalen Zerlegung lassen sich Transferfunktionen zwischen den Aktuatorauslenkungen und den Sekundärschallfeldern berechnen. Die Transferfunktionen werden vom Projektpartner EADS für die Simulation und Bewertung verschiedener ANC-Regelungsalgorithmen verwendet.