Abbildung einer Zweistromdüse auf ein kalt

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3. WORKSHOP
STRÖMUNGSSCHALL
In Luftfahrt, Fahrzeug- und Anlagentechnik
Sitzung 2 Strahllärm | 13:55-14:20 Uhr:
Abbildung einer Zweistromdüse auf ein kaltdurchströmtes aeroakustisches Triebwerksmodell
als Grundlage zur Erforschung des Strahlklappeneffekts
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR)
Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik
Technische Akustik
Aeroakustischer Versuch
Christian Jente
Dirk Boenke
DLR.de • Folie 2
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Motivation Strahlklappeneffekt
Abbildung: Bei UHBR-Triebwerken könnten die Strahlklappeninteraktion
die Akustik entscheidend beeinflussen.
Abbildung: An der Strahlklappeninteraktion beteiligte Strömungen.
Abbildungen: Bisherige Untersuchungen im Aeroakustischen Windkanal Braunschweig (AWB) des DLR an einer Einstromdüse.
Bildrechte: DLR / M. Pott-Pollenske
DLR.de • Folie 3
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Gliederung: Der kalte Kernstrahl wirkt sich in Bezug auf
die Skalierungen der Düsenströmungen aus.
1. Änderung der Größen in der
Düsenaustrittsebene
FF.4-7
2. Änderung der Größen stromab der
Düse und im Bereich der Klappe:
> Bewertungskriteren F.9
> Auswertung FF.10-22
3. Zusammenfassung der Ergebnisse F.24
Ausblick F.25
DLR.de • Folie 4
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1| DÜSENAUSTRITT
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Eine kalte Kernströmungstemperatur am Düsenaustritt
verändert die Strömungskenngrößen.
Ähnl. Totalenth.strom
BASELINE
A
K
Kerngeometrie richtig skaliert
A
Erhaltg
K
ṁ μ
Sr
p
ρ
Ma
U
a
Re
cp γ h0
spez/intensiv
Sr
p
ρ
T
Ma
U
a
Re
cp γ h0
Ḣ0 V
Kerngeometrie richtig skaliert
spez/intensiv
T
Ähnlicher Massenstrom
A
Kerngeometrie angepasst
Erhaltg
K
ṁ μ
Sr
p
ρ
a
Ḣ0 V
spez/intensiv
Erhaltg
T
ṁ μ
Ma
U
Re
cp γ h0
Ḣ0 V
DLR.de • Folie 6
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[Erläuterung] Physikalische Größen, abgebildet im
“Taschenrechner”-Format
Block I
Block II
• Block II. Spezifische oder Intensive Strömungsgrößen
- Reihe 1: Thermische Zustandsgrößen
- Reihe 2: Strömungsgrößen
- Reihe 3: Kalorische Zustandsgrößen
• Block III. Erhaltungsgleichungen
- Reihe 1: Masse
- (Reihe 2: Moment)
- Reihe 3: Energie
Umrahmungsfarbe
Block III
• Block I. Ähnlichkeitskenngrößen
Reihe 1
Sr
p
ρ
T
ṁ μ
Reihe 2
Ma
U
a
Reihe 3
Re
cp γ h0
Ḣ0 V
Grün:
falls eine intensive Größen beibehalten wird, oder eine extensive Größe skaliert wird.
Grün gestrichelt: falls sich eine dimensionelle (d.h. ungefähre oder nährungsweise) Ähnlichkeit ergibt
Rot:
falls die Ähnlichkeit nicht eingehalten werden kann (Verzerrung in Form von
Über- oder Unterskalierung).
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[Erläuterung] Effekte infolge der geometrischen
Skalierung
A.Abbildung Fan|kalt|unskaliert auf Fan|kalt|skaliert ~1:15
Intensive Größen werden beibehalten, extensive Größen skaliert.
B. Abbildung Kern|heiß|unskaliert auf Kern|kalt|skaliert ~1:15
<Diese Strömungsgrößen sind auf dem “Taschenrechner” abgebildet>
Effekte
1. BASELINE (heiße Kernströmung): Intensive Größen werden beibehalten, extensive Größen skaliert.
2. ÄHNLICHER TOTALENTHALPIESTROM: Der kalte Kernstrom bewirkt eine Überskalierung des
Kernmassenstroms ṁ und eine Unterskalierung der spezifischen Totalenthalpie h0. Trotzdem wird die
Energiegröße, der Totalenthalpiestrom Ḣ0 dimensionell ähnlich skaliert. Dies liegt im besonderen an
den ähnlichen Volumenströmen.
3. ÄHNLICHER MASSENSTROM: Der kalte Kernstrom skaliert die Dichte zu hoch. Wird die
Querschnittsfläche am Austritt der Kerndüse unterhalb deren Ähnlichkeit zum Original skaliert, so
können Massenströme, Impulsverhältnisse, das Nebenstromverhältnis, etc. ähnlich skaliert werden.
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2| STRÖMUNGSBEREICH
DÜSENNACHLAUF / KLAPPE
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Bewertungskriterien für die Vergleichbarkeit sind isb.
ähnliche lokale Strömungsmerkmale:
Abbildung: Strömungsmerkmale “horizontal”
Grundströmung
2.
Fan
Äußere Scherschicht
1.
Innere Scherschicht
Kern
1. Potentialkern der Fanströmung:
max. Geschwindigkeit, Wirbelstärke
2. Strahlbreite, Ausbreitung der Scherschicht: Geschwindigkeit, Wirbelstärke
3. Bestimmung der Strömungsregion:
Wirbelstärke, Turbulente Kinetische Energie
Abbildung: Strömungsmerkmale “vertikal”
INITIALE AUSMISCHUNG
3.
ÜBERGANGSREGION
Größere turbulente Wirbelstrukturen bilden
sich aus
VOLL AUSGEBILDETE
STRÖMUNG
Selbstähnlichkeit, Ausmischung
vollst. turbulent
Potentialkern des Fans
Potentialkern der Kernströmung
Bildrechte: Bräunling
DLR.de • Folie 10
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Der CFD-Nachweis wurde für die tatsächliche
Düsenausrichtung im Windkanal durchgeführt.
Triebwerksmodell, Skalierung ~1:15, ohne Pylon, ohne Hochauftriebssystem,
Modell 14.4911° zur Grundströmung (U∞ = 60 m/s) gedreht.
14.4911°
DLR.de • Folie 11
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ZUR BEURTEILUNG DER STRAHLBREITE
(1) GESCHWINDIGKEIT
DLR.de • Folie 12
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N9 BASELINE heißdurchströmte Kerndüse, 4.2 kg/s
Strahlbreite* Fan
Strahlbreite* Kern
* Das Bewertungskriterium entspricht nicht strikt einem physikalischen üblichen Standard (Bsp Potentialkern bei Einhalten von 99%
der Maximalgeschwindigkeit), sondern ist an den optischen Übergängen des Farbspektrums (rosa  rot bzw. rot  gelb) orientiert.
DLR.de • Folie 13
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X8 Ähnliche Totalstromenthalpie, kalt 4.6 kg/s
Strahlbreite Fan
sehr gut approximiert
Strahlbreite Kern
sehr gut approximiert
Max. Geschwindigkeit fällt leicht
DLR.de • Folie 14
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B5 Ähnliche Massenströme, kalt 4.2 kg/s
Strahlbreite Fan
Strahlbreite Kern
fällt deutlich geringer aus
(spez. Totalenthalpie↓)
etwas geringere Breite
gut approximiert
DLR.de • Folie 15
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ZUR BEURTEILUNG DER SCHERSCHICHTEN UND
STRÖMUNGSPOTENTIALKERNE
(2) WIRBELSTÄRKE
DLR.de • Folie 16
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N9 BASELINE heißdurchströmte Kerndüse, 4.2 kg/s
gelb ~ rotationsfreie Strömung
Äußere Scherschicht
Potentialkern Fan
etwa bei L/D = 1.9
Innere Scherschicht
DLR.de • Folie 17
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X8 Ähnliche Totalstromenthalpie, kalt 4.6 kg/s
Messungen mit ähnliche skalierten Totalstromenthalpien könnten den Einfluss der
Kernströmung überschätzen: Die Strahlbreite steigt infolge des überskalierten
Kernmassenstroms ṁK bzw. des dadurch verringerten Nebenstromverhältnisses µ.
Äußere Scherschicht
sehr gut approximiert
Potentialkern Fan
L/D ~ 1.6; Abnahme wegen breiterer ISS
Innere Scherschicht
Scherschichtbreite breiter ṁ K↑
Ausmischungslänge geringer: h0↓
DLR.de • Folie 18
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B5 Ähnliche Massenströme, kalt 4.2 kg/s
Messungen mit ähnlich skalierten Massenströmen könnten den Einfluss der Kernströmung
unterschätzen: Die Ausmischungslänge der inneren Scherschicht sinkt infolge der
geringen Totalstromenthalpie der Kernströmung.
Äußere Scherschicht
sehr gut approximiert
Potentialkern Fan
L/D ~ 2.4, Zunahme wegen geringer ISS
Innere Scherschicht
Scherschichtbreite sehr gut approximiert
Ausmischungslänge gering: h0↓
DLR.de • Folie 19
> Das kaltdurchströmte aeroakustische Triebwerksmodell > Christian Jente • 2015-11-12_W03-S2-V3_Jente_vf.pptx > 12.11.2015
ZUR BEURTEILUNG DER VOLLAUSGEBILDETEN STRÖMUNG
(3) TURBULENTE KINETISCHE
ENERGIE
DLR.de • Folie 20
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N9 BASELINE heißdurchströmte Kerndüse, 4.2 kg/s
Äußere Scherschicht
Innere Scherschicht
Turbulente Strukturen sind im Vergleich zur
äußeren Scherschicht gering ausgebreitet
DLR.de • Folie 21
> Das kaltdurchströmte aeroakustische Triebwerksmodell > Christian Jente • 2015-11-12_W03-S2-V3_Jente_vf.pptx > 12.11.2015
X8 Ähnliche Totalstromenthalpie, kalt 4.6 kg/s
DLR.de • Folie 22
> Das kaltdurchströmte aeroakustische Triebwerksmodell > Christian Jente • 2015-11-12_W03-S2-V3_Jente_vf.pptx > 12.11.2015
B5 Ähnliche Massenströme, kalt 4.2 kg/s
DLR.de • Folie 23
> Das kaltdurchströmte aeroakustische Triebwerksmodell > Christian Jente • 2015-11-12_W03-S2-V3_Jente_vf.pptx > 12.11.2015
3| AUSWERTUNG
DLR.de • Folie 24
> Das kaltdurchströmte aeroakustische Triebwerksmodell > Christian Jente • 2015-11-12_W03-S2-V3_Jente_vf.pptx > 12.11.2015
Beide Auslegungsoptionen approximieren die Strömungsgrößen
im Bereich der Landeklappe ausreichend.
BASELINE
TOTALENTH.STROM
MASSENSTROM
Geometrie
Charakteristische
Strömungsmerkmale
Fanstrahlkern,
Geschwindigkeit
Strahlbreite, Äußere
Scherschicht
Strömungsregionen,
T.K.E.
Messungen mit ähnlichen Totalenthalpieströmen könnten den Einfluss der
Kernströmung überschätzen, Messungen mit ähnlichem Massenstrom dagegen
unterschätzen.
VIELEN DANK!
DLR.de • Folie 25
> Das kaltdurchströmte aeroakustische Triebwerksmodell > Christian Jente • 2015-11-12_W03-S2-V3_Jente_vf.pptx > 12.11.2015
AUSBLICK: Möglichkeiten der Abbildung bei Benutzung
eines Zweistoffgemisches als Kernströmung
Helium x~30%
BASELINE
A
K
Kerngeometrie richtig skaliert
A
Erhaltg
K
ṁ μ
Sr
p
ρ
Ma
U
a
Re
cp γ h0
spez/intensiv
Sr
p
ρ
T
Ma
U
a
Re
cp γ h0
Ḣ0 V
Kerngeometrie angepasst
spez/intensiv
T
Helium x~65%
A
Kerngeometrie richtig skaliert
Erhaltg
K
ṁ μ
Sr
p
ρ
a
Ḣ0 V
spez/intensiv
Erhaltg
T
ṁ μ
Ma
U
Re
cp γ h0
Ḣ0 V
DLR.de • Folie 26
> Das kaltdurchströmte aeroakustische Triebwerksmodell > Christian Jente • 2015-11-12_W03-S2-V3_Jente_vf.pptx > 12.11.2015
LITERATUR
BRÄUNLING, Willy J. G.: Flugzeugtriebwerke: Grundlagen, AeroThermodynamik, ideale und reale Kreisprozesse, Thermische
Turbomaschinen, Komponenten, Emissionen und Systeme. In:
Flugzeugtriebwerke (2009)

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