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Computational Aero-acoustic Analysis of Low-noise Airframe Devices with the Aid of Stochastic Method

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Modell zur Beschreibung von Flugwerksgeräuschen

Bei Erwähnung von Flugzeuglärm denken die meisten Menschen an Triebwerksgeräusche. Doch auch die Flugwerke tragen erheblich zur Schallerzeugung eines Flugzeugs bei. Eine innovative und effiziente Modellierungssuite ist wegweisend für den Entwurf neuer geräuschreduzierender Fahrwerkskonzepte.

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Die Reduzierung des Fluglärms stellt die Luftfahrtindustrie vor große Herausforderungen und zählt zu den wichtigsten Säulen des ambitionierten EU-Forschungsprogramms Clean Sky. Die numerische Aeroakustik leistet einen wichtigen Beitrag zur Entwicklung schallemissionsarmer Konzepte. Zu den am schwierigsten in Modellen zu erfassenden Aspekten zählen Nahfeldturbulenzen. Software, mit deren Hilfe Turbulenzen genau berechnet werden können, ist hierbei dienlich, die Berechnungen nehmen jedoch viel Zeit und hohe Rechenkapazitäten in Anspruch. Im Rahmen des Projekts "Computational aero-acoustic analysis of low-noise airframe devices with the aid of stochastic method" (CALAS) erforschten die beteiligten Forscher mit Förderung der EU, wie Berechnungen mithilfe Reynolds-gemittelter Navier-Stokes-Gleichungen (engl. für Reynolds-averaged Navier–Stokes; RANS), die den Vorzug einer nur geringen benötigten Rechenkapazität aufweisen, für die numerische Aeroakustik nutzbar gemacht werden können. Die Analyse konzentrierte sich auf zwei geräuscharme Konzepte für Konfigurationen für die Hauptfahrwerke von Regionalflugzeugen mit hohem Auftrieb. Das Team entwickelte ein auf stochastischen Berechnungen basierendes System, das auf RANS-Gleichungen für stationäre Strömungen unter Anwendung numerischer fluiddynamischer Methoden beruhte und der Modellbildung für die Erzeugung von Breitbandschall diente. Dieselbe Methode wurde zur Erstellung eines Modells für durch turbulente Strömung erzeugte Schallquellen verwendet. Die Ergebnisse wurden anschließend in die numerische Fluiddynamikanalyse aufgenommen, um so den Einfluss der Schallquelle auf Fernfeldschall zu ermitteln. Erste Tests und Demonstrationen der stochastischen Methode wurden in der numerischen fluiddynamischen Analyse der Ausgangskonfiguration eines Tragflügelkonzepts mit Auftriebshilfe (d. h. für die Seitenkante der Landeklappen von Tragflügeln mit Einfach- oder Doppellandeklappe) durchgeführt. Die Ergebnisse für diese Ausgangskonfiguration wurden anschließend mit den Ergebnissen für eine Konfiguration verglichen, in der die Tragflügel mit zusätzlichen Grenzschichtzäunen ausgestattet waren, und in der die Landeklappenseitenkanten nur geringen Schall produzierten. Die Ergebnisse zeigten, dass durch eine entsprechende geräuschreduzierende Konfiguration Fernfeldgeräusche um 3 bis 7 Dezibel (dB) gesenkt werden können. Die Wissenschaftler analysierten dann die Ausgangskonfiguration des Hauptfahrwerks und drei Konzepte, die der Schallminderung dienten. Nur mit einem dieser Konzepte, einer Schall dämpfenden Auskleidung an der Hinterwand des Fahrwerkraums, konnte gegenüber der Ausgangskonfiguration eine stärkere Schallminderung erzielt werden. Die Minderung lag dabei bei etwa 1,8 dBA. Der Zusatz "A" bezieht sich hierbei auf eine Kategorie, wie sie im Rahmen gesetzlicher Schallschutzbestimmungen zur Angabe von Schallbelastungen verwendet werden. Die Schallbelastungsstufen dieser Skala korrelieren möglicherweise mit dem relativen Risiko lärmverursachter Hörschäden. Im Rahmen des CALAS-Projekts konnte gezeigt werden, dass sich auf kosteneffizienten RANS-Gleichungen basierende stochastische Methoden zur Modellerstellung von Schallquellen sehr gut für die industrielle Erforschung von Breitbandschall mit numerischer Aerodynamik eignen. Die in diesem Projekt entwickelten Methoden werden dazu beitragen, dass die europäische Luftfahrtindustrie schnelle Fortschritte bei der Entwicklung geräuscharmer Konzepte für den Luftverkehr erzielt. Die während der Arbeit für dieses Projekt gewonnenen Erkenntnisse zu schallreduzierenden Konfigurationen verweisen auf wichtige Fragestellungen in Bezug auf den Entwurf zukünftiger Konzepte.

Schlüsselbegriffe

Luftfahrzeug, Schall, numerische Aeroakustik, Auftriebshilfen am Fahrwerk, stochastische Methode

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