Messtechnische Analyse von Schallmoden in Strömungen mit Umfangsinhomogenitäten

Im Kontext neuer Flugzeugkonzepte werden alternative Positionen der Triebwerke, etwa eingelassen in den Rumpf, diskutiert. Ein in Hinsicht auf die aerodynamische Effizienz vielversprechendes Konzept sieht das Einsaugen der Rumpfgrenzschicht (Boundary Layer Ingestion - BLI) durch das Triebwerk vor, wodurch es zu einer über den Triebwerksquerschnitt, insbesondere nicht umfangssysmmetrischen, ungleichmäßigen Strömung kommt. Bisherige Studien zeigen, dass die durch die Rotor-Stator-Interaktion angeregten Schallmoden unter diesen Zuströmungsbedingungen Schallenergie in andere Modenordnungen streuen. Diese Streuung zieht die Notwendigkeit der kompakten mathematischen Beschreibung durch eine Modenbasis nach sich, deren Umfangsmoden bedingt durch die gestörte Symmetrie der Hintergrundströmung nicht mehr rein harmonisch sind und deren radiale Formfunktionen sich mathematisch nicht nur aus Besselfunktionen zusammensetzen lassen. Solch ein alternatives Modenmodell, das auf der regulären Störungsrechnung basiert, wird vorgestellt und auf die praktische Anwendbarkeit bei Schallfeldmessungen mit Mikrofonringen untersucht

Advanced analysis of fan noise measurements supported by theoretical source models

With the objective to improve the understanding of the dominant fan noise source mechanisms a comprehensive experimental study was conducted at a low speed fan test rig. The aerodynamic fan map as well as the acoustic characteristics of the fan were measured for a new blade integrated disk (Blisk) rotor with systematic variation of the shaft speed and throttling. The interpretation of the results is supported by simulations of the experiment with a physics based analytical in-house tool for fan noise prediction. For the acoustic measurements an array of wall-flushed microphones was used in the inlet section. By means of radial mode analysis techniques, the broadband and tonal sound powers are calculated for each operating point. In the obtained comprehensive database systematic variations of the tonal and broadband sound power with the flow rate are found. These patterns can only partly be correlated to the varying incidence angle of the rotor blades. Comparing the mode distributions of the measured noise and the analytical models then allows conclusions on the predominant noise sources of rotor-stator interaction and inflow-rotor interaction

Experimental Investigation of Inflow-Distortion-Induced Tonal Noise in a Sub-Sonic Fan Test Rig

Experimental investigation on the influence of inflow distortions on fan noise was performed at the low-speed Co-/Counter Rotating Acoustic Fan Test rig (CRAFT). The investigated fan stage is designed such that the dominant interaction modes at the first and second BPF are excited weakly in upstream direction, but strongly in downstream direction, due to the mode propagation angle. Two major tonal source mechanisms are described in the literature and addressed in this work. The first mechanism is the inflow-distortion-rotor interaction, which can generate high sound power levels at the blade passing frequencies at high blade tip mach numbers or low rotor blade counts. For the measurements performed this source seems to be relevant only for extreme inflow distortion cases. The second mechanism is linked to the modulation of the rotor-stator interaction (RSI), which is caused by the periodically fluctuating incidence angle and the resulting fluctuation of the rotor wakes shape. The sources distorted phase and amplitude lead to a less effective constructive interference of the conventional interaction modes and a less a destructive interference of the adjacent modes. As consequence, a broader mode spectrum is propagating to the measurement sections. The overall sound power level for our specific fan stage can be more than 7 dB higher or 1 dB lower than the baseline, depending on the inflow distortion profile and BPF harmonic

CRAFT test rig for assessing the aeroacoustic impact of fans of electrically powered urban/regional aircraft

A comprehensive assessment of the noise generation and the acoustic impact of electric propulsion fans is an essential part of urban/regional aircraft development and can provide important guidance on design changes for increased acceptance. Experimental investigations at the CRAFT (Co/Counter Rotating Acoustic Fan Test rig) test facility provide important contributions, e.g. to reveal unexplored correlations between the often disturbed inflow and the acoustics of the fan, to provide realistic input for the assessment of auditory perception and to validate modelling approaches. The presentation gives an overview of current fan designs and the wide range of applications of the CRAFT test rig

Experimentelle Untersuchung der Auswirkung von Einlaufstörungen auf die Aeroakustik einer Rotor-Stator-Konfiguration am Fan-Prüfstand CRAFT

An einem für aeroakustische Untersuchungen entwickelten Labor-Fan-Prüfstand wurden detaillierte aerodynamische und aeroakustische Messungen mit verschiedenen Einlaufstörungen durchgeführt. Das Ziel der vorgestellten Studie ist es, die Abhängikeiten der Schallquellen einer Fan-Rotor-Stator-Stufe von den aerodynamischen Eigenschaften der Strömung besser zu verstehen. Die mittleren Strömungsgeschwindigkeiten werden flächig mit Totaldruckrechen gemessen. Die turbulenten Geschwindigkeitsschwankungen werden mit Hitzdrahtsonden erfasst. Für die Messung des Schallfeldes wird ein kombiniertes Mikrofonarray aus einem Linienarray und einem Ringarray verwendet. Die Schallleistungsspektren und integrierten Schallleistungspegel werden für verschiedene Betriebspunkte bestimmt und mit den inhomogenen mittleren und turbulenten Strömungsgeschwindigkeiten korreliert. Die Differenzen der Schallleistungspegel zwischen dem gestörten und dem ungestörten Fall zeigen eine geringe Abhängigkeit vom Betriebspunkt aber eine starke Abhängigkeit von der Turbulenzintensität und der Stärke der mittleren Geschwindigkeitsstörung. Die klaren Trends werden im Kontext der dominanten Breitband-Schallquellen, der Einlaufturbulenz-Rotor-Interaktion und der Rotor-Stator-Interaktion intepretiert

Experimentelle Untersuchung der Auswirkung von Einlaufstörungen auf die Aeroakustik einer Rotor-Stator-Konfiguration am Fan-Prüfstand CRAFT

An einem für aeroakustische Untersuchungen entwickelten Labor-Fan-Prüfstand wurden detaillierte aerodynamische und aeroakustische Messungen mit verschiedenen Einlaufstörungen durchgeführt. Das Ziel der vorgestellten Studie ist es, die Abhängikeiten der Schallquellen einer Fan-Rotor-Stator-Stufe von den aerodynamischen Eigenschaften der Strömung besser zu verstehen. Die mittleren Strömungsgeschwindigkeiten werden flächig mit Totaldruckrechen gemessen. Die turbulenten Geschwindigkeitsschwankungen werden mit Hitzdrahtsonden erfasst. Für die Messung des Schallfeldes wird ein kombiniertes Mikrofonarray aus einem Linienarray und einem Ringarray verwendet. Die Schallleistungsspektren und integrierten Schallleistungspegel werden für verschiedene Betriebspunkte bestimmt und mit den inhomogenen mittleren und turbulenten Strömungsgeschwindigkeiten korreliert. Die Differenzen der Schallleistungspegel zwischen dem gestörten und dem ungestörten Fall zeigen eine geringe Abhängigkeit vom Betriebspunkt aber eine starke Abhängigkeit von der Turbulenzintensität und der Stärke der mittleren Geschwindigkeitsstörung. Die klaren Trends werden im Kontext der dominanten Breitband-Schallquellen, der Einlaufturbulenz-Rotor-Interaktion und der Rotor-Stator-Interaktion intepretiert

Modellierung der Schallausbreitung in Kanälen mit ungleichmäßiger Strömung mittels der regulären Störungsrechnung

In dieser Arbeit wird ein analytisches Näherungsverfahren entwickelt, um die Schallausbreitung in zylindrischen Kanälen mit ungleichmäßiger Hintergrundströmung zu modellieren. Ausgehend von den Euler- und Kontinuitätsgleichungen wird eine inhomogene Helmholtz-Gleichung bestimmt, die mit der regulären Störungsrechnung analytisch gelöst wird. Ausgehend von der Lösung in einer Kolbenströmung (Plug-Flow) bewirken die Gradienten der Strömungsgeschwindigkeit eine Brechung der Schallwellen und eine Verschiebung der axialen Wellenzahlen. Die analytische Formulierung ermöglicht eine schnelle Berechnung der Modenformen und Wellenzahlen. Im Gegensatz zu einigen numerischen Verfahren sind die Wellenzahlen eindeutig einer Modenordnung zugeordnet, daher sind keine aufwendigen Sortieralgorithmen notwendig. Die analytische Form ermöglicht zudem eine theoretische physikalische Interpretation der Kopplungsterme die aufgrund der ungleichmäßigen Strömung in der inhomogenen Helmholtz-Gleichung auftreten. Bei kleinen Störungen der Kolbenströmung konvergiert die Näherungslösung der Störungsrechnung gleichmäßig gegen die Plug-Flow Lösung. Die Näherungslösung wird für eine radiale Grenzschicht berechnet und mit numerischen Ergebnissen validiert. Die Ergebnisse für azimutal ungleichmäßige Strömungen werden anhand von Ergebnissen aus der Literatur und einem zweidimensionalen Modell plausibilisiert. Die Qualität der Näherung ist nicht nur von den Gradienten der Strömungsgeschwindigkeit abhängig, sondern auch von der mittleren Machzahl und der Helmholtz-Zahl. Bei großen Machzahlen und Helmholtz-Zahlen ist auch der erwartbare Fehler größer. Die Störungsrechnung wird für die Modellierung der Schallausbreitung in einer Strömung mit synthetisierter Grenzschichteinsaugung (Boundary Layer Ingestion, BLI) angewandt. Die mittlere Machzahl und die Störung der Strömung sind klein, somit kann ein großer Frequenzbereich betrachtet werden. Das Schallfeld kann als Summe der Plug-Flow Moden oder als Summe der mit der Störungsrechnung bestimmten BLI-Moden dargestellt werden. Mit einem äquidistanten Ringarray wird die Anwendbarkeit der Azimutalmodenanalyse mit beiden Modenmodellen untersucht. Bei den BLI-Moden ist die Array-Kohärenz bereits unterhalb der Aliasingfrequenz größer als der optimale Wert 0. Dies führt zu höheren Nebenkeulen und dazu, dass weniger dominante Modenordnungen detektiert werden können. Die Array-Kohärenz wird mit einem optimierten Array verbessert. Mit einer Näherungslösung der Greenschen Funktion wird das durch einen Monopol angeregte Modenspektrum berechnet. Die Modenspektren sind in einer Strömung mit BLI von der radialen und azimutalen Position der Monopolquelle abhängig. In einer Kolbenströmung sind die Modenspektren hingegen nur von der radialen Position der Monopolquelle abhängig. Die Ergebnisse implizieren, dass bei der numerischen und experimentellen Betrachtung von Schallquellen in Strömungen mit BLI die azimutale Abhängigkeit der Quellimpedanzen berücksichtigt werden muss. Mit den berechneten BLI-Moden kann die Schallausbreitung in einem Kanal modelliert werden, und anschließend auf die Plug-Flow Moden abgebildet werden. Wenn als Randbedingung eine stromauf laufende ebene Welle, die aus einer Summe von BLI-Moden besteht, gewählt wird, dann scheint die Abbildung auf die Plug-Flow Moden eine Streuung in benachbarte Modenordnungen zu zeigen. Die Amplituden der BLI Moden bleiben hingegen konstant und es tritt keine Streuung auf. Es handelt sich um nicht orthogonale Eigenmoden die sich überlagern. Dies erscheint im Plug-Flow Modenspektrum als Amplitudenmodulation. Weitere experimentelle, analytische und numerische Studien werden empfohlen um die Ergebnisse dieser Arbeit zu validieren und um zuverlässige Prognosen über die Schallausbreitung bei größeren Machzahlen treffen zu können