Beim Thema Fluglärm ist das Ganze mehr als die Summe der Teile
In etwas mehr als einem Jahrhundert hat sich die Welt vom ersten erfolgreichen Motorflugzeug zu weltweit über 400 Abflügen pro Stunde weiterentwickelt. Jeden Tag werden mehr als 10 Millionen Personen und Millionen Tonnen Fracht befördert. Neben der großen Anzahl an Flügen sind die Flugzeuge auch größer und leistungsstärker geworden. Der Lärm der Triebwerke, insbesondere beim Start, wenn das Flugzeug in geringer Höhe und mit voller Schubkraft fliegt, ist ein erhebliches Problem für Umwelt und Politik geworden – Fluggesellschaften müssen jetzt je nach Lärmbelästigung eines Flugzeugs Start- und Landegebühren zahlen. Daher sind dringend innovative Verfahren und Technologien zur Schallunterdrückung notwendig. Die Lärmminderungsziele für leisere und umweltfreundlichere Flugzeuge können nicht erreicht werden, wenn das Triebwerk bzw. die Düsen und die Flugzeugzelle unabhängig voneinander modelliert werden. Dennoch wurde nur sehr begrenzt zu den Wechselwirkungen zwischen diesen Bauteilen geforscht. Im EU-finanzierten Projekt DJINN wurde diese Wissenslücke mit rechnergestützten Methoden und neuen Versuchsaufbauten in kleinem Maßstab angegangen.
Die gekoppelte Aerodynamik und Aeroakustik bei Wechselwirkungen zwischen Düsenstrahl und Tragfläche
Die Belastung durch Fluglärm hat zugenommen. Gleichzeitig wohnen durch die Verstädterung immer mehr Menschen in der Nähe von Flughäfen. Eine weitere Komplikation sind neuere Triebwerke mit geringerem Kerosinverbrauch und reduzierten Treibhausgasemissionen. Diese Triebwerke werden näher an der Tragfläche angebracht, sodass der Fluglärm durch die Wechselwirkungen zwischen Tragfläche und Abgasstrahl ansteigt. „Die fortschrittliche numerische Methode für die Simulation der Strömungsdynamik für gekoppelte Aerodynamik und Aeroakustik wurde auf die Wechselwirkungen zwischen Abgasstrahl und Tragfläche ausgerichtet. Über eine kombinierte theoretische und experimentelle Kampagne wollten wir das Wissen zu den zugrundeliegenden physikalischen Prozessen ausweiten und verbesserte Geometrien und Technologien zur Lärmunterdrückung entwerfen“, erklärt Werner Haase, der Projektkoordinator von DJINN von der CFD Software Entwicklungs- und Forschungsgesellschaft.
Vielversprechende Ansätze zur Lärmminderung in Aussicht
Neben weiteren Ergebnissen hat das Projektteam zwei poröse Landeklappen aus porösem Aluminiumguss getestet. Dabei konnte eine prognostizierte Lärmminderung von etwa sieben Dezibel (Breitband) nachgewiesen werden. Der empfohlene Lärmpegel liegt bei etwa 40-45 Dezibel, sodass sieben Dezibel weniger bereits viel bewirken würde. Turbulenzen können in Bereichen mit Wechselwirkungen zwischen Grenzschichten, zum Beispiel zwischen Abgasstrahl und Tragfläche, verschärft werden. „Es wurde ein ehrgeiziges Forschungsprojekt mit hohem Risiko und potenziell wichtigen Ergebnissen durchgeführt: Die Kontrolle des Lärms durch Breitbandturbulenzen und die Wechselwirkungen zwischen Abgasstrahl und Tragfläche. Dabei kam heraus, dass die Strömungen, durch die Turbulenzen verstärkt werden, bei hohen Reynolds-Zahlen kontrolliert werden können“, merkt Haase an. Schließlich wurde das Projektziel, das Problem des hochfrequenten Lärms zu lösen, mit einer Strouhal-Zahl (einer dimensionslosen Kennzahl aus der Strömungsmechanik, mit der Wirbelverhalten charakterisiert werden kann) von etwa 10 erreicht. Dadurch ist trotz des höheren Rechenaufwands der Weg für fortschrittliche Methoden zur Lärmminderung in der Industrie geebnet. Die öffentlich zugänglichen allgemeinen Testfälle für einen isolierten und einen eingebauten Abgasstrahl (Abgasstrahl plus Tragfläche) kann über die Projektwebsite von DJINN heruntergeladen werden.
Weniger Lärm für die Bevölkerung, größere Wettbewerbsfähigkeit der EU-Industrie
Aus der Zusammenarbeit zwischen Forschungspartnern und der Industrie, auch KMU, im Rahmen von DJINN sind erfolgreich Technologien zur Lärmminderung hervorgegangen. Diese werden wichtig sein, um die Auswirkungen der Luft- und Raumfahrt auf die Umwelt zu reduzieren und die Lebensqualität derer anzuheben, die in der Nähe von Flughäfen wohnen. Mit der Kombination aus den Technologien und den verbesserten Werkzeugen zur numerischen Simulation, bei denen kritische Wechselwirkungen berücksichtigt werden, steigt das Innovationspotenzial von Europa im Bereich der Luftfahrt. Die Wettbewerbsposition Europas wird damit gestärkt.
Schlüsselbegriffe
DJINN, Lärm, Flugzeuge, numerische Methode für die Simulation der Strömungsdynamik, Lärmminderung, Turbulenz, Aeroakustik, Aerodynamik, Luft- und Raumfahrt, Interaktion zwischen Abgasstrahl und Tragfläche, Lärmemissionen
