Motivation und Ziele CFD-Setup CAA isolierter Rotor Boundary Element Method Fazit und Ausblick Kopplung eines FW-H-Lösers mit einer Boundary Element Method zur Simulation des Lärms von CRORs mit Abschattungseffekten Lukas Dürrwächter Institut für Aerodynamik und Gasdynamik - Universität Stuttgart [email protected] 12. November 2015 Universität Stuttgart - L. Dürrwächter 12. November 2015 1 / 18 Motivation und Ziele CFD-Setup CAA isolierter Rotor Boundary Element Method Fazit und Ausblick Übersicht 1 Motivation und Ziele 2 CFD-Setup 3 CAA isolierter Rotor 4 Boundary Element Method Implementierung und Validierung Kopplung mit CFD/FW-H-Löser 5 Fazit und Ausblick Universität Stuttgart - L. Dürrwächter 12. November 2015 1 / 18 Motivation und Ziele CFD-Setup CAA isolierter Rotor Boundary Element Method Fazit und Ausblick Übersicht 1 Motivation und Ziele 2 CFD-Setup 3 CAA isolierter Rotor 4 Boundary Element Method Implementierung und Validierung Kopplung mit CFD/FW-H-Löser 5 Fazit und Ausblick Universität Stuttgart - L. Dürrwächter 12. November 2015 1 / 18 Motivation und Ziele CFD-Setup CAA isolierter Rotor Boundary Element Method Fazit und Ausblick Übersicht 1 Motivation und Ziele 2 CFD-Setup 3 CAA isolierter Rotor 4 Boundary Element Method Implementierung und Validierung Kopplung mit CFD/FW-H-Löser 5 Fazit und Ausblick Universität Stuttgart - L. Dürrwächter 12. November 2015 1 / 18 Motivation und Ziele CFD-Setup CAA isolierter Rotor Boundary Element Method Fazit und Ausblick Übersicht 1 Motivation und Ziele 2 CFD-Setup 3 CAA isolierter Rotor 4 Boundary Element Method Implementierung und Validierung Kopplung mit CFD/FW-H-Löser 5 Fazit und Ausblick Universität Stuttgart - L. Dürrwächter 12. November 2015 1 / 18 Motivation und Ziele CFD-Setup CAA isolierter Rotor Boundary Element Method Fazit und Ausblick Übersicht 1 Motivation und Ziele 2 CFD-Setup 3 CAA isolierter Rotor 4 Boundary Element Method Implementierung und Validierung Kopplung mit CFD/FW-H-Löser 5 Fazit und Ausblick Universität Stuttgart - L. Dürrwächter 12. November 2015 1 / 18 Motivation und Ziele CFD-Setup CAA isolierter Rotor Boundary Element Method Fazit und Ausblick Counter-Rotating Open Rotor (CROR) Antriebskonzept für Airliner (A320-Klasse) Hohes Nebenstromverhältnis Dadurch Spriteinsparungen im zweistelligen Prozentbereich Keine Ummantelung möglich Hauptproblem: Lärmemission Quelle: inventorspot.com Universität Stuttgart - L. Dürrwächter 12. November 2015 2 / 18 Motivation und Ziele CFD-Setup CAA isolierter Rotor Boundary Element Method Fazit und Ausblick Ziele Aufbau eines Modell-Teststandes am IAG Damit Validierung der Prozesskette aus CFD (FLOWer) und CAA (Acco) für Anwendungsfall CROR Zunächst isolierter Rotor → aktuelles Acco ausreichend Dann verstärktes Augenmerk auf Integrationseffekte (Pylon, Leitwerk...) → Kopplung mit BEM nötig Universität Stuttgart - L. Dürrwächter 12. November 2015 3 / 18 Motivation und Ziele CFD-Setup CAA isolierter Rotor Boundary Element Method Fazit und Ausblick CFD-Setup 7 Blätter vorne, 6 hinten Spinner, Nabe, Halterung als Euler-Wand Durchmesser: 38cm max. 12000rpm → Matip ≈ 0.7 Dual Timestepping (2.Ordnung implizit) Turbulenzmodell: Wilcox k-ω 58 Mio. Zellen Universität Stuttgart - L. Dürrwächter 12. November 2015 4 / 18 Motivation und Ziele CFD-Setup CAA isolierter Rotor Blattnetz entlang Profil: 144 Zellen spannweitig: 80 Zellen Grenzschicht: erste Zelle y + = 0.75, Wachstumsfaktor 1.1 2.3 Mio. Zellen Universität Stuttgart - L. Dürrwächter Boundary Element Method Fazit und Ausblick Hintergrundnetz feinste Auflösung: 6,5% ctip Hanging Grid Nodes 27 Mio. Zellen + 1,5 Mio. für Nabe 12. November 2015 5 / 18 Motivation und Ziele CFD-Setup CAA isolierter Rotor Boundary Element Method Fazit und Ausblick Konvergenz und Leistungsdaten ux = 0 ms Thrust Power Efficiency ux = 55 ms Front Rear Total Front Rear Total 387.0 N 22.60 kW - 302.0 N 20.23 kW - 689.0 N 42.83 kW - 95.9 N 7.93 kW 66.5 % 106.9 N 9.15 kW 64.3% 202.8 N 17.08 kW 65.3% Universität Stuttgart - L. Dürrwächter 12. November 2015 6 / 18 Motivation und Ziele CFD-Setup CAA isolierter Rotor Boundary Element Method Fazit und Ausblick Akustische Auswertung mit Acco Akustischer Transport nach FfowcsWilliams/Hawkings verschiedene Hüllflächen Vernachlässigung von Quellen außerhalb der Hüllflächen (keine Volumenterme) Auflösung wie Hintergrundnetz, Frequenzen bis 6 BPF1 (8400Hz) mit 20 Punkten pro Wellenlänge darstellbar Auswertungszeitschritt: 0.5◦ Universität Stuttgart - L. Dürrwächter 12. November 2015 7 / 18 Motivation und Ziele CFD-Setup CAA isolierter Rotor Boundary Element Method Fazit und Ausblick Lärm ohne/mit axialer Anströmung u∞ = 0 m , s r = 1m u∞ = 55 m , s r = 1m u∞ = 0 ms : starker Anteil hoher Frequenzen → ? typische Dominanz des Einzelrotorlärms bei φ ≈ 90◦ und starker Interaktionslärm in schräger Richtung Universität Stuttgart - L. Dürrwächter 12. November 2015 8 / 18 Motivation und Ziele CFD-Setup CAA isolierter Rotor Boundary Element Method Fazit und Ausblick Vergleich Akustik CAA und direkt aus CFD Polarer Verlauf des auf r = 1 m skalierten Schalldruckpegels, u∞ = 55 m s Spektrum des auf r = 1 m skalierten Schalldruckpegels, u∞ = 55 m , φ = 90◦ s gute Übereinstimmung von CAA und CFD In CFD bis r = 0.5 m auch Interaktionslärm aufgelöst Universität Stuttgart - L. Dürrwächter 12. November 2015 9 / 18 Motivation und Ziele CFD-Setup CAA isolierter Rotor Boundary Element Method Fazit und Ausblick Boundary Element Method: Motivation Ziel: Berücksichtigung von abschattenden Geometrien (Pylon, Leitwerk, Rumpf) bisher: Hüllfläche für Acco muss alle relevanten Geometrien einschließen große Hüllflächen → viel Rechenaufwand in Acco für akustischen Transport bis zur Hüllfläche hochaufgelöste CFD nötig → noch mehr Rechenaufwand BEM: Nur Oberflächen müssen diskretisiert werden Universität Stuttgart - L. Dürrwächter 12. November 2015 10 / 18 Motivation und Ziele CFD-Setup CAA isolierter Rotor Boundary Element Method Fazit und Ausblick Boundary Element Method: Implementierung Oberflächendiskretisierung mit n Dreieckselementen Oberflächenlösung durch Kollokation → voll besetztes, asymmetrisches LGS n x n: 1 1 t M − I + µN φ = −φin − µvn in + L + µ M + I vn 2 2 Auswertung im Raum: Z φ(xo ) = φin (xo ) + S ∂G (xo , xs )φ(xs )dS − ∂ns Z G(xo , xs )vn (xs )dS S MPI-parallelisierter Fortran-Code aufbauend auf Routinen von Kirkup (2007) Berechnung der Matrixeinträge/Integration per Gauß-Quadratur Universität Stuttgart - L. Dürrwächter 12. November 2015 11 / 18 Motivation und Ziele CFD-Setup CAA isolierter Rotor Boundary Element Method Fazit und Ausblick Boundary Element Method: Validierung Testfall: Quader 1 m × 1 m × 0.2 m 20 × 20 × 4 Zellen Punktquelle im Mittelpunkt durch GeschwindigkeitsRandbedingung simuliert L2 -Fehler des akustischen Potenzials auf der Oberfläche Universität Stuttgart - L. Dürrwächter 12. November 2015 12 / 18 Motivation und Ziele CFD-Setup CAA isolierter Rotor Boundary Element Method Fazit und Ausblick Boundary Element Method: Validierung Testfall nach Guo(2005): Kugel r = 1 m, Punktquelle mit f = 500 Hz bei z = 4 m. BEM: 8480 Elemente. Akustisches Potenzial: analytische Lösung aus Guo(2005) Universität Stuttgart - L. Dürrwächter Akustisches Potenzial: mit BEM berechnete Lösung 12. November 2015 13 / 18 Motivation und Ziele CFD-Setup CAA isolierter Rotor Boundary Element Method Fazit und Ausblick BEM: Kopplung mit CFD/FW-H-Löser 1 1 M − I + µN φ = −φin − µvn in + L + µ M t + I 2 2 vn zur Bereitstellung von φin und vn in pro Oberflächenelement 2 Acco-Auswertungen nötig (oder 1 CFD-Auswertung) zusätzlich eine Acco- oder CFD-Auswertung pro Observer für dortiges φin Transformation des Acco-/CFD-Outputs per FFT Aufstellen und Lösen des LGS bei diskreten Frequenzen, nur lauteste Frequenzen werden berücksichtigt Gesamtlösung ergibt sich durch Superposition Universität Stuttgart - L. Dürrwächter 12. November 2015 14 / 18 Motivation und Ziele CFD-Setup CAA isolierter Rotor Boundary Element Method Fazit und Ausblick BEM: Kopplung mit CFD Einfallendes Schallfeld als “rechte Seite” für BEM direkt aus CFD-Lösung ohne Störkörper interpoliert Testfall: von Punktquelle beschallter Quader, Vergleich CFD-BEM-Kopplung mit reiner CFD-Lösung Schallleistungspegel: mit BEM berechnete Lösung (links), direkte CFD-Lösung (rechts) Universität Stuttgart - L. Dürrwächter 12. November 2015 15 / 18 Motivation und Ziele CFD-Setup CAA isolierter Rotor Boundary Element Method Fazit und Ausblick FW-H + BEM: Anwendungsfall CROR Platte mit 20.000 Elementen (sinnvoll bis ca. 2600 Hz), Rechenzeit ca. 8 h auf 1200 Cores (v.a. FW-H-Löser) BPF1 (1400Hz): Schalldruck isolierter CROR, u∞ = 55 m s Universität Stuttgart - L. Dürrwächter BPF1 (1400Hz): Schalldruck CROR mit abschattender Platte 12. November 2015 16 / 18 Motivation und Ziele CFD-Setup CAA isolierter Rotor Boundary Element Method Fazit und Ausblick Fazit und Ausblick Isolierter CROR: plausible Ergebnisse, experimentelle Daten zur Validierung für nächstes Jahr erwartet Prozesskette aus CFD und FW-H-Löser mit BEM gekoppelt erste erfolgreiche Validierungsrechnungen Speicherbedarf limitert Frequenzbereich Implementierung einer Fast Multipole Method CFD-seitige Einbeziehung von Pylon und evtl. Leitwerk langfristiges Ziel: CROR im Leitwerk mit BEM/FMM rechnen Universität Stuttgart - L. Dürrwächter 12. November 2015 17 / 18 Motivation und Ziele CFD-Setup CAA isolierter Rotor Boundary Element Method Fazit und Ausblick Vielen Dank! Universität Stuttgart - L. Dürrwächter 12. November 2015 18 / 18
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