Prediction of noise radiation from basic configurations of landing gears by means of computational aeroacoustics

Noise radiation from aircraft during the takeoff and landing has become a major issue for inhabitants living in the vicinity of airports and thus for regulation authorities and aircraft developers. However the numerical simulation of aeroacoustic noise, especially for complex geometries like a landing gear, remains one of the most difficult challenges in aeroacoustics. The present study, aiming at predicting noise radiation from basic geometries as well as the noise radiation of a simplified landing gear, employs a hybrid approach that combines a CFD simulation with the decoupled computational aeroacoustics (CAA) simulation. Flow-induced noise is assumed to originate from turbulence. Reynolds-averaged Navier–Stokes equations with different closure approaches can be employed to gain the required turbulent quantities. Subsequently, quantities as the mean flow velocities, pressure, density, turbulent kinetic energy and dissipation rate of the CFD simulation are the starting point for the generation of the transient acoustic sources by the stochastic noise generation and radiation (SNGR) method. It is assumed that the acoustic phenomena do not provide feedback to the mean flow field and turbulence and thus a recalculation of the flow field is not required. Since the propagation of sound is insignificantly influenced by turbulent and viscous effects, it can be described by the Euler equations in the near field. The CAA simulation is extended with a Ffowcs Williams Hawkings (FWH) module that calculates the noise levels in the far field upon integrating the surface source terms on a porous FWH surface within the CAA domain. The results of the simulations are compared with experimental data, obtained by measurements in an acoustic wind tunnel.

ZusammenfassungDurch startende und landende Flugzeuge verursachter Lärm wird in der Nähe von Flughäfen immer mehr zum Problem und ist deshalb ein wichtiges Thema sowohl für Behörden als auch für Herstellerfirmen. Die numerische Simulation von aeroakustischem Lärm, speziell jener der durch sehr komplexe Geometrien wie ein Flugzeug-Fahrwerk erzeugt wird, stellt jedoch eine herausfordernde Aufgabe für die Wissenschaft dar. Die hier präsentierte Studie zeigt, wie mittels eines hybriden Ansatzes, der eine Computational Fluid Dynamics (CFD) Simulation mit einer Computational Aeroacoustics (CAA) Simulation koppelt, die Schallerzeugung und Schallausbreitung eines Fahrwerkes simuliert werden kann. Als Ursache für dieses Strömungsrauschen werden turbulente Luftbewegungen angesehen. Die turbulenten Kenngrößen können mit den Reynolds-Averaged Navier–Stokes (RANS) Gleichungen mit verschiedenen Ansätzen zur Schließung des Gleichungssystems (= Turbulenzmodellierung) berechnet werden. Ausgehend von den mittels CFD berechneten Größen mittlere Geschwindigkeit, Druck, Dichte, turbulente kinetische Energie und Dissipationsrate können mittels der Stochastic Noise Generation and Radiation (SNGR) Methode Schallquellen errechnet werden. Unter der Annahme, dass die akustischen Phänomene keinen Einfluss auf das Strömungsfeld und die Turbulenz haben, ist eine neuerliche Berechung der Strömung nicht nötig. Da die Ausbreitung des Schalls von turbulenten und viskosen Effekten kaum beeinflusst wird, können für deren Berechung die Euler Gleichungen herangezogen werden. Um die Ausbreitung des Schalls auch außerhalb des CFD-CAA Netzes berechnen zu können, werden die instationären Druckfluktuationen auf einer durchlässigen Oberfläche innerhalb des CAA Bereichs verwendet. Mittels des Ffowcs Williams Hawkings (FWH) Moduls kann nun die Ausbreitung des Schalls ins Fernfeld ermittelt werden. Um diese Methode zu validieren, werden die Simulationsergebnisse mit Messungen, welche in einem akustischen Windkanal durchgeführt wurden, verglichen.