Effect of DDES and IDDES modelling on the simulation of turbulent flows for aeroacoustics

The main objective of the present investigation is the analysis of the modelling capabilities of shear layer and boundary layer flows by Improved Delayed Detached Eddy Simulation (IDDES [4]) and standardDelayed Detached Eddy Simulation (DDES [3])

Simulation of broadband noise using Improved Delayed Detached Eddy Simulation for turbomachinary flows

Bei der Entwicklung moderner Triebwerke steht neben aerodynamischen und wirtschaftlichen Aspekten in zunehmendem Maße die Reduktion der Lärmemissionen im Vordergrund. Der Lärm eines Fan-Triebwerks setzt sich aus tonalen und breitbandigen Anteilen zusammen. Die tonalen Lärmentstehungsmechanismen werden dabei relativ gut verstanden und können durch konstruktive Maßnahmen effizient reduziert werden. Die Entwicklung der High-Bypass-Ratio-Triebwerke mit einem relativ langsam drehenden, großen Fan reduziert zwar den tonalen Lärm, führt aber dazu, dass das breitbandige Rauschen durch den großen Rotor-Fan und die Stator-Outlet-Guide-Vanes zum führenden Term bei der Schallentstehung wird. Ein detailliertes Verständnis der Lärmentstehungsmechanismen des Breitbandlärms innerhalb des Triebwerks ist somit eine wichtige Voraussetzung für die weitere Flugzeugentwicklung. Im Bereich des Fans gibt es drei dominante Breitbandlärmquellen – den Grenzschichtlärm bzw. Hinterkantenlärm von Rotor und Stator, den Rotor-Stator-Interaktionslärm und als dritte signifikante Quelle den Wirbelendspitzenlärm. Allen diesen Breitbandlärmquellen liegen hochgradig instationäre und stochastische Strömungen mit sehr kleinskaligen Strömungsstrukturen zu Grunde, die sehr hohe Anforderungen an die Numerik und die Turbulenzmodellierung stellen. Die vorliegende Untersuchung beschäftigt sich mit der direkten Simulation dieser drei grundlegenden Breitbandlärmquellen und der Analyse der entsprechenden Mechanismen. Ziel der Arbeit ist die Entwicklung und Zusammenführung aller Komponenten, um eine direkte Breitbandlärmsimulation eines Triebwerks mittels der neuartigen Improved Delayed Detached Simulationsmethode (IDDES) auf Basis des TU Berlin-eigenen Navier-Stokes-Lösers ELAN3D zu ermöglichen. Dieser fordert sowohl die Erweiterung und Validierung des kompressiblen Lösers für rotierende Systeme mit den entsprechenden Randbedingungen, die Implementierung eines Sliding-Mesh-Interfaces hoher Ordnung, die Anpassung des Lösers für die Nutzung der Chimera-Overset-Gittertechnik zur Erhaltung der nötigen hohen Gitterqualität, als auch der Evaluierung und Anpassung der IDDES. Es werden schließlich die Vorteile und Möglichkeiten bzw. Limitierungen bei der Anwendung der IDDES bei der Simulation kompressibler, komplexer dreidimensionaler Strömungen dargestellt und der Breitbandlärm analysiert.Due to the need of the overall noise reduction for the development of future aircrafts, the understanding of aeroacoustic broadband noise source mechanisms becoming relevant. The aero-engine is a major contributor of the aircraft tonal and broadband noise. Decades of research yields to an reduction of the jet noise and therefore the turbomachinary core and fan noise becomes relevant. On the one hand the tonal noise sources are well known and addressed by the development of the present ultra-high-bypass-ratio (UHBR) fans. Contrary, the huge UHBR-fan with the complex constructed rotor blades and outlet guide vanes, in connection with high mass flow rates in the bypass-area, generates a lot of broadband noise. The selfnoise or boundary-layer related trailing edge noise, the interaction noise and the rotor-tip-vortex based noise are the major broadband noise sources encountered in turbomachinary bypass-fans. All of these noise sources based upon highly turbulent and strongly stochastic flows. This make high demands on the numerics and the turbulence modeling for the simulation of that type of flows. The objective of this study is the direct simulation of the before mentioned broadband noise sources using the novel Improved Delayed Detached Eddy Simulation (IDDES) and the analysis of the corresponding source mechanisms. This includes the implementation and validation of several parts in the compressible branch of the Navier-Stokes-Solver ELAN3D from TU Berlin – the evaluation and validation of the IDDES, extension of solver for the rotating reference frame, implementation of the High-Order-Sliding-Mesh-Interface for fully developed coupling of fixed and rotating domains, extension of the Chimera overset-grid technique for generating high quality mesh for complex geometries. The study demonstrates the advantages and limitations of the non-zonal hybrid-RANS-LES method (IDDES) for the simulation of highly complex turbomachinary flows and the related broadband noise

Numerical Simulation of jet mixing noise associated with engine exhausts, in Numerical simulation of turbulent flows and noise generation

International audienc

Simulation of the sound radiation of turbulent flows with DES

Detached eddy simulation (DES) is a suitable method for the simulation of the sound radiation of turbulent flows, providing access to resolved turbulent scales at minimal computational cost. The near-wall region is solved efficiently by RANS while LES is applied to detached regions of large scale turbulence. The various DES implementations of the Institute of Fluid Mechanics and Engineering Acoustics (ISTA) at the TU-Berlin are described. Simplified academic flow cases are used for the validation of the method and the suitability of the method for complex industrial flow applications is also demonstrated. The method proves robust and reliable for a wide range of applications, ranging from external to internal flows, from bluff bodies with massive separation to the partial resolution of attached boundary layers. Examples of applications to noise emission problems are presented for (i) slat noise, (ii) interaction noise, (iii) jet mixing noise, and (iv) trailing-edge noise. The jet noise predictions include a study on the influence of serrations on the noise emission. The overall sound pressure levels as well as the noise reducing effect of the serrations are well predicted. With respect to the prediction of flow noise, further work is required to improve the predictive capabilities for higher frequencies