Całość jest czymś więcej niż sumą części, jeśli chodzi o hałas lotniczy
W nieco ponad sto lat świat przebył długą drogę, licząc od pierwszego samolotu zdatnego do lotu, aż do dziś, kiedy realizowanych jest na świecie ponad 400 odlotów na godzinę, a każdego dnia przewożonych jest ponad 10 milionów pasażerów i miliony ton ładunków. Jednak ogromna liczba lotów to nie jedyna spektakularna zmiana, gdyż współczesne samoloty mają większe rozmiary i dużo większą moc. Zwiększył się też hałas silników, który jest szczególnie dotkliwy podczas startu, gdy samolot znajduje się na małej wysokości i leci na pełnym ciągu. Problem ten znalazł się w centrum debaty nie tylko na temat ochrony środowiska, ale również polityki, gdyż linie lotnicze muszą teraz wnosić dodatkową opłatę za lądowanie i start, wyliczaną na podstawie poziomu hałasu emitowanego przez samolot. Z tego względu na rynku pojawiła się paląca potrzeba opracowania innowacyjnych technik i technologii tłumienia hałasu. Jednakże osiągnięcie celów dotyczących redukcji hałasu, tak aby samoloty były cichsze i bardziej ekologiczne, nie będzie możliwe, dopóki silnik/dysza i płatowiec będą modelowane osobno jako oddzielne elementy. Mimo to jak dotąd prowadzono niewiele badań dotyczących oddziaływań między silnikiem a płatowcem. Tą wyraźną luką w wiedzy zajął się zespół finansowanego przez Unię Europejską projektu DJINN, korzystający z metod obliczeniowych i nowych układów eksperymentalnych na małą skalę.
Aerodynamika i aeroakustyka w oddziaływaniach między silnikiem a skrzydłem
Emisja hałasu lotniczego wzrasta, a zachodzące jednocześnie procesy urbanizacyjne oznaczają, że coraz więcej ludzi mieszka w pobliżu portów lotniczych. Sytuację dodatkowo komplikują nowsze, sprawniejsze silniki zaprojektowane w celu zmniejszenia spalania paliwa i emisji gazów cieplarnianych. Co więcej, są one montowane bliżej skrzydła, w związku z czym oddziaływania między skrzydłem samolotu a wydechem silnika (odrzutowego) powodują dużo większy hałas. „Zaawansowane narzędzia symulacji obliczeniowej dynamiki płynów (CFD) opracowane w ramach projektu DJINN na potrzeby sprzężonej aerodynamiki i aeroakustyki koncentrują się na oddziaływaniach między skrzydłem a silnikiem odrzutowym. Przeprowadziliśmy kampanię łączącą badania teoretyczne i doświadczalne, aby lepiej zrozumieć podstawowe procesy fizyczne i opracować ulepszone geometrie i technologie służące tłumieniu hałasu”, wyjaśnia Werner Haase z CFD Software Development and Research, koordynator projektu DJINN.
Nowe obiecujące metody redukcji hałasu
Wśród wielu rozwiązań przetestowano dwie klapy skrzydłowe o porowatej powierzchni składające się z porowatych odlewów aluminiowych. W toku badań wykazano, że przewidywana redukcja hałasu wyniesie około 7 decybeli (szerokopasmowego hałasu). Biorąc pod uwagę, że zalecane poziomy hałasu wynoszą około 40–45 decybeli, obniżenie hałasu o 7 decybeli miałoby znaczący wpływ. Co ważne, w obszarach oddziaływań warstwy granicznej, takich jak obszar strumienia wylotowego i skrzydła, może wystąpić zwiększenie turbulencji. „Zrealizowany został ambitny projekt badawczy wysokiego ryzyka / wysokiego zysku, mianowicie dotyczący kontroli szerokopasmowych turbulencji i hałasu w wyniku oddziaływań między klapami skrzydła a silnikiem odrzutowym. Wyniki pokazały, że kontrola przepływów wzmacniających turbulencje przy wysokich liczbach Reynoldsa jest możliwa”, zauważa Haase. Wreszcie, zespół projektu osiągnął też cel polegający na rozwiązaniu problemu hałasu o wysokiej częstotliwości, co doprowadziło do uzyskania liczb Strouhala (bezwymiarowa wielkość używana w dynamice płynów do scharakteryzowania przepływów oscylacyjnych) na poziomie około 10. Pomimo większego obciążenia obliczeniowego, metoda ta otwiera drogę do wykorzystania zaawansowanych metod symulacji hałasu w przemyśle. Ogólne przypadki testowe dotyczące samego silnika i silnika zamontowanego (silnik plus główne skrzydło samolotu) są ogólnodostępne i można je pobrać ze strony internetowej projektu DJINN.
Mniej uciążliwy hałas, bardziej konkurencyjny przemysł UE
Projekt DJINN umożliwił współpracę między partnerami ze środowisk naukowych i przemysłowych, w tym z sektora MŚP, dzięki której z powodzeniem opracowano nowe technologie redukcji hałasu. Będą one miały zasadnicze znaczenie nie tylko dla zmniejszenia wpływu sektora lotniczego na środowisko, ale również dla poprawy jakości życia osób mieszkających w pobliżu lotnisk. Co więcej, technologie te wraz z udoskonalonymi narzędziami do symulacji numerycznych, które uwzględniają krytyczne oddziaływania, zwiększą potencjał innowacyjny Europy w dziedzinie aeronautyki, zapewniając jej mocną pozycję na tle światowej konkurencji.
Słowa kluczowe
DJINN, hałas, samoloty, CFD, redukcja hałasu, turbulencje, aeroakustyka, aerodynamika, lotniczy i kosmiczny, oddziaływania między silnikiem i skrzydłem, emisja hałasu
