Propeller Acoustics

Der verteilte elektrische Antrieb ist ein vielversprechendes Konzept für zukünftige emissionsarme Luftfahrzeuge sowie für Fahrzeuge der urbanen Luftmobilität. Durch die Verteilung mehrerer elektrisch angetriebener Propeller entlang der Flugzeugzelle können solche Konfigurationen die aerodynamische Effizienz steigern, die Redundanz erhöhen und die Belastung der einzelnen Rotoren verringern. Die kompakte Anordnung der Propeller bringt jedoch auch neue aeroakustische Herausforderungen mit sich. Aerodynamische Wechselwirkungen zwischen benachbarten Propellern sowie zwischen Propellern und Komponenten der Flugzeugzelle können zusätzliche instationäre Blattbelastungen, Druckschwankungen und Interaktionslärm erzeugen. Das Verständnis dieser Mechanismen ist für die Auslegung leiserer verteilter Antriebssysteme von entscheidender Bedeutung.

Propeller-Interaktionslärm lässt sich mithilfe hochauflösender numerischer Simulationen analysieren. So können beispielsweise Large-Eddy-Simulationen (LES) mit dem hauseigenen Simulationsframework m-AIA durchgeführt werden. Rotierende Propellerblätter und stationäre Komponenten der Flugzeugzelle werden dabei mittels einer Level-Set-Methode auf hierarchischen kartesischen Gittern mit lösungsadaptiver Gitterverfeinerung abgebildet. Je nach Konfiguration und erforderlicher Auflösung werden die Simulationen mit 500 Millionen bis 1,5 Milliarden Gitterzellen durchgeführt; dies ermöglicht eine detaillierte Auflösung der Blattgrenzschichten, Blattspitzenwirbel, Nachlaufstrukturen sowie deren Wechselwirkungen mit benachbarten aerodynamischen Flächen. Die Schallabstrahlung ins Fernfeld wird auf der Grundlage des simulierten instationären Strömungsfeldes unter Verwendung der akustischen Analogie nach Ffowcs Williams-Hawkings – insbesondere der zeitbasierten Formulierung 1A nach Farassat – prognostiziert.

Das Hauptaugenmerk liegt dabei auf der Verknüpfung von Strömungsmechanismen mit der akustischen Abstrahlung. Dies beinhaltet die Identifizierung der Wechselwirkungen zwischen Blattspitzenwirbeln und Flügelvorderkanten, der gegenseitigen Beeinflussung von Belastung und Richtcharakteristik benachbarter Propeller sowie der Nutzung von Phasensynchronisation zur Reduzierung von Tonalem Lärm. Ergänzend zur Prognose des Fernfeldlärms werden oberflächendruckbasierte Lokalisierungsverfahren eingesetzt, um akustisch abstrahlende Komponenten von starken, jedoch größtenteils nicht abstrahlenden hydrodynamischen Druckschwankungen zu unterscheiden. Diese Verfahren liefern detaillierte Quellenkarten auf Flügeln und rotierenden Blättern und unterstützen die Entwicklung leiserer Konzepte zur Integration von Propellern in die Flugzeugzelle.