Simulation: Die Geheimnisse des Flugzeuglärms

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Flugzeugtriebwerke verursachen so ziemlich die lautesten von Menschen gemachten Geräusche. Joe Nichols, Assistant Professor of Aerospace Engineering and Mechanics an der University of Minnesota, ist fasziniert von diesem Lärm und dessen Fähigkeiten, Ordnung im Chaos zu generieren. Das zu verstehen, hilft dabei, Simulationsverfahren für leisere Flugzeuge zu entwickeln.

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Flugzeugtriebwerke verursachen so ziemlich die lautesten von Menschen gemachten Geräusche. Joe Nichols, Assistant Professor of Aerospace Engineering and Mechanics an der University of Minnesota, ist fasziniert von diesem Lärm und dessen Fähigkeiten, Ordnung im Chaos zu generieren. Das zu verstehen, hilft dabei, Simulationsverfahren für leisere Flugzeuge zu entwickeln.

Nichols nutzt die Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), eine Einrichtung des U. S. Department of Energy (DOE), um hochpräzise Computersimulationen zu entwickeln. Sie sollen zeigen, wie Turbulenzen in der Strömung Lärm produzieren. Die Ergebnisse könnten neue Konstruktionsentwürfe zeitigen, die Geräusche an Einflugschneisen oder auf Flugzeugträgern reduzieren helfen.

Nichols ist überzeugt, das der Lärm etwas über die grundlegenden Eigenschaften von Turbulenz verrate. Lärm lege eine Ordnung offen, die andernfalls in komplexen, hochgradig nichtlinearen, chaotischen Phänomenen verborgen sei.

Das Röhren der Motoren zähmen

Flugzeugturbinen erzeugen Geräusche auf unterschiedliche Weise. Der Hauptanteil lässt sich jedoch auf den mit hoher Geschwindigkeit ausgestoßenen Abgasstrom aus den Düsen rückseitig der Turbinen zurückführen. Und Flugzeuge sind immer dann am lautesten, wenn sie langsam unterwegs sind, etwa beim Start und bei der Landung. Weil der Abgasstrom auf vergleichsweise stillstehende Luft trifft, entsteht eine enorme Windscherung, die rasch Instabilitäten auslöst. Die daraus resultierenden Turbulenzen zeichnen für das Röhren der Turbinen verantwortlich.

Die Flugzeugkonstrukteure haben daher Chevron-Düsen entwickelt, ein Design, das einer im Zick-Zack gekappten Eierschale ähnelt, um die Strömung aus den Turbinen abzuwandeln. Die Idee dahinter ist, das Geräusch zu vermindern, indem man das Muster der Turbulenz ändert. Doch noch immer gleichen solche Konstruktionen zum großen Teil einem Ratespiel.

Zusammen mit dem Ramesh Balakrishnan, Informatiker an der ALCF und mit der Unterstützung von Argonnes Supercomputer „Mira“, haben Nichols und seine Mitstreiter ein Konzept für die Strömungssimulation entwickelt, das zumindest teilweise aus dem Raten Wissen machen soll.

Sie begannen mit einer hochpräzisen Large-Eddy-Simulation, einem Verfahren zur numerischen Berechnung turbulenter Strömungen, das die Physik der geräuschverursachenden Turbulenz genau erfassen sollte.

Kohärente Strömungsmuster?

Aus diesen Simulationen extrahierten sie reduzierte und somit prägnantere Modelle, die erklären, welcher Teil der Turbulenz für den Lärm verantwortlich ist. Die reduzierten Modelle geben den Konstrukteuren ein schnelles und genaues Werkzeug an die Hand, um ihre Entwürfe zu prüfen. Die Simulation komplexer Geometrien wie bei Turbulenzen erfordert die Nutzung eines unstrukturierten Netzes, um die beteiligte Dynamik abzubilden. In diesem Falle könnte eine Simulation 500 Millionen Gitterpunkte umfassen, — das noch einmal mit Fünf multipliziert, um Druck, Dichte und drei Komponenten der Geschwindigkeit zu berücksichtigen, um die Strömung an jedem Gitterpunkt zu beschreiben. Das gipfelt in Milliarden von Freiheitsgraden oder Anzahl von Variablen, die Mira verwendet, um den Flugzeuglärm zu berechnen.

Nichols fragt sich nun, was wäre, wenn sich in diesen Turbulenzen kohärente Strömungsmuster verbergen würden, die man mit lediglich 50 Freiheitsgraden beschreiben könne. Welche Aspekte trügen am meisten zur Geräuschentwicklung bei? Wie interagieren die Strömungsstrukturen? Inwiefern entspreche dieses Modellgerüst der wirklichkeitsnahen Simulation?

Die Arbeiten, die im vergangenen Jahr im Journal Physics of Fluids veröffentlich wurden, könnten Konstrukteuren helfen, die Modellierung von Düsentriebwerken gezielter anzugehen, indem sie etwa die ideale Anzahl und Länge der Chevrons bestimmen.

Balakrishnan sieht in der Arbeit das Potenzial, schließlich in einem Designwerkzeug für die Aero-Akustik zu münden. Nichols reichere die Berechnungsdaten mit einer Input-Output-Analyse an, welche die Ursprünge der Geräuschentwicklung offenlege, die andernfalls in den üblichen Vorwärtssimulationen oder sogar in den Experimenten verborgen blieben.

Input-Output-Berechnungen

Eines der besten Verfahren, um Wellen der Instabilität vorherzusagen,  die ein Geräusch innerhalb der Turbulenz erzeugen, liegt in der Nutzung von parabolisierten Stabilitätsgleichungen. Doch während diese bei Überschallquellen gute Ergebnisse erzielen, kommen sie nur schwer mit all den Bestandteilen der Geräusche unterhalb der Schallgeschwindigkeit zurecht, besonders in seitlicher Richtung oder lotrecht über dem Abgasstrom.

Das Team der University of Minnesota hat daher ein neues Verfahren entwickelt, das auf einer Input-Output-Berechnung beruht. Sie erlaubt es, sowohl das stromabwärts als auch seitlich emittierte Geräusch vorhersagen. Während man zuerst dachte, dass das seitliche Geräusch zufällig wäre, konnte die Input-Output-Berechnung kohärente Strukturen in der Strömung offenlegen, die mit den seitlich entweichenden Geräuschen verbunden sind, so dass sich diese vorhersagen und steuern lassen.  

Nichols variierte die Berechnung zudem, um Geräusche zu untersuchen, die beim Aufprall von Luftpaketen entstehen, etwa wenn der Luftstoß auf eine plane Oberfläche trifft, beispielsweise beim Start. Der Aufprall führt zu einer Rückkopplungsschleife, wenn die Turbulenz auf eine plane Oberfläche trifft und nach außen beschleunigt. Wenn der Schall wieder zurückströmt, entstehen neue Turbulenzen, die zu enormen Lärm in der Größenordnung von 170 dB führen können und damit am Flugzeug selbst erhebliche Schäden anrichten können.

Mit Mira wurde der Aufprall des Luftstroms ohne Modifikationen präzise simuliert und dann der Lärm gemessen. Verglichen mit gleichzeitig laufenden Versuchen konnten die Töne sehr genau vorhergesagt werden. Ein reduziertes Modell der Simulationen half Nichols, zu klären, wie die Strömung zu ändern war, um die Rückkopplungen zu vermeiden.  Eine weitere Simulation der modifizierten Strömung zeigte, dass sich die Töne fast vollständig eliminieren ließen. 

Bild: Joe Nichols, Assistant Professor of Aerospace Engineering and Mechanics an der University of Minnesota, ist fasziniert vom Fluglärm.

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