Numerische Simulation des Geräusches massiv abgelöster Strömung bei großer Reynoldszahl und kleiner Machzahl

Strömungsinduzierte Geräusche stellen heute ein zunehmendes Problem dar, besonders in der Umgebung von Flughäfen. Eine flächendeckende Lärmminderung ließe sich hier in erster Linie durch konstruktive Maßnahmen zur Abschwächung der wesentlichen Schallentstehungsmechanismen am Flugzeug erzielen. Dies setzt jedoch voraus, dass verlässliche aeroakustische Vorhersagen getroffen werden können, wozu nicht nur präzise Berechnungsverfahren für die Schallausbreitung, sondern auch für das mittlere Strömungsfeld und für die aerodynamischen Geräuschquellen erforderlich sind. In der vorliegenden Arbeit wird ein im Bereich subsonischer Strömungssimulationen etabliertes, druckbasiertes 3D-Finite-Volumen-Verfahren für den Einsatz in aeroakustischen Grobstruktursimulationen weiterentwickelt. Der hier vordergründig betrachtete Strömungszustand und Kennzahlbereich ist typisch für das Entstehen von „airframe noise“, aerodynamischem Lärm, welcher primär durch die turbulente Umströmung von Fahrwerk und Hochauftriebshilfen startender oder landender Flugzeuge verursacht wird. [–] Die Kopplung von kompressiblen Grobstruktursimulationen im Quellgebiet mit nachgeschalteten akustischen Extrapolationen ermöglicht eine Berechnung dieser Umströmungsgeräusche bis ins Fernfeld. Nach kurzer Darstellung der physikalischen Grundlagen und verschiedener Möglichkeiten zur numerischen Simulation wird das ausgewählte Verfahren im Detail analysiert und eine Schwachstelle in der zur Berechnung der Massenflüsse eingesetzten Interpolation nach Rhie & Chow identifiziert. Der Schwerpunkt der Weiterentwicklung liegt anschließend auf der sorgfältigen Herleitung einer Familie konsistenter Approximationen zur Bestimmung von Massenflüssen über Kontrollvolumengrenzflächen auf nichtversetzten Gittern. Zwei neue Varianten der Massenflussberechnung werden in das bestehende Druckkorrekturverfahren integriert. Deren Verhalten wird im Vergleich zur ursprünglichen Implementierung an einem akademischen Testfall bewertet. Es folgt eine Abstimmung von Numerik und Feinstrukturmodell am Zerfall isotroper Turbulenz und nach der Qualifizierung des verbesserten Verfahrens schließlich dessen Anwendung zur Berechnung von Strömungsgeräuschen an einer generischen Fahrwerksverstrebung und an einer 3-Komponenten-Hochauftriebskonfiguration. Die Ergebnisse dieser Simulationen weisen überwiegend eine sehr gute Übereinstimmung mit experimentell ermittelten Daten auf. Auf Basis einer aeroakustischen Analyse der hochaufgelösten Simulationsergebnisse am Vorflügel gelingt letztlich ein statistischer Nachweis für den dort dominierenden Schallentstehungsmechanismus.