Effiziente numerische Methoden für die Simulation aeroakustischer Probleme mit kleinen Machzahlen

Ein wesentlicher Teil des Geräuschaufkommens in unserem täglichen Umfeld wird von turbulenten Strömungen verursacht. Beispiele für Strömungslärm sind unter anderem der Lärm fahrender Autos, Fluglärm oder der Lärm von Lüftern. Obwohl die Vermeidung und Minimierung von Lärm immer wichtiger wird, sind für viele Anwendungen die strömungsmechanischen Vorgänge die zur Schallentstehung beitragen nicht vollständig verstanden, insbesondere wenn durch die Strömung Strukturdeformationen oder Schwingungen angeregt werden. Die numerische Simulation aeroakustischer Probleme (CAA, Computational Aero-Acoustics) kann zu einem besseren Verständnis der Schallabstrahlung zugrunde liegender strömungsmechanischer Vorgänge beitragen. Sie bietet insbesondere dann Vorteile, wenn die Strömung messtechnisch nur schwer zugänglich ist oder noch kein Prototyp vorhanden ist. In der vorliegenden Arbeit wird ein Verfahren zur effizienten numerischen Simulation aeroakustischer Probleme mit kleinen Machzahlen vorgestellt. Es wurde ein Akustiklöser in den Strömungslöser FASTEST implementiert. Dieser löst die linearisierten Euler- Gleichungen mittels eines High-Resolution-Finite-Volumen-Verfahrens auf dem hierarchisch vergröberten Strömungs-Gitter. Außerdem können während eines Strömungs-Zeitschritts mehrere CAA-Zeitschritte simuliert werden. Auf diese Weise wird dem bei kleinen Machzahlen vorhandenen Skalenunterschieden zwischen Strömungs- und Schallfeld Rechnung getragen. Die aeroakustische Quellen werden aus dem mittels Large-Eddy- Simulation berechneten instationären Strömungsfeld bestimmt. Die korrekte Implementierung des implemetierten Akustiklöser wird anhand analytischer Testfälle unterschiedlicher Komplexität nachgewiesen. Unter Anderem werden der Einfluss numerischer Parameter, die Eignung für komplexe Geometrien, die Korrektheit der Randbedingungen und die Berücksichtigung von Quelltermen untersucht. Anhand eines vibroakustischen Beispiels wird gezeigt, dass sich das Verfahren grundsätzlich auch zur Simulation der Akustik von Fluid-Struktur-Interaktionen eignet. Weiterhin werden die numerische und die parallele Effizienz des Akustiklösers untersucht. Anhand der Simulation einer Platte im turbulenten Nachlauf eines Kreiszylinders wird das Verfahren validiert. Es konnte nachgewiesen werden, dass das vorgestellte CAA-Verfahren in der Lage ist, die der Schallerzeugung zu Grunde liegenden Effekte zu erfassen und abzubilden. Anhand dieses Testfalls und eines weiteren aeroakustischen Testfalls, wird die Effizienz des CAA-Verfahrens für die Verwendung unterschiedlicher Akustik-Gitter untersucht. Hier zeigt sich, dass durch die Verwendung hierarchischer vergröberter Gitter zur Berechnung der langwelligen Akustik eine signifikante Effizienzsteigerung bei vergleichbaren Ergebnissen möglich ist.