Simulation der instationären Strömung um das Stratosphärenobservatorium SOFIA

Abstract

Die Überströmung von Hohlräumen (engl. Cavities) ist in der Regel durch selbsterregte, instationäre Druckfluktuationen gekennzeichnet. Ziel dieser Arbeit ist die Simulation und die Charakterisierung der bei der Überströmung des SOFIA-Teleskopschachts auftretenden instationären Phänomene mittels URANS- und DES-Verfahren, sowie die Untersuchung von Methoden zur passiven Beeinflussung der Strömung und der Wechselwirkung mit akustischen Resonanzen. Da die äußerst komplexe Interaktion der beteiligten Phänomene eine große Herausforderung für die im Rahmen dieser Arbeit angewandten Rechenverfahren darstellt, wird deren Gültigkeit durch Vergleich mit experimentellen Daten geprüft und die verfahrensbedingten Unsicherheiten werden bewertet. Um den erforderlichen Rechenaufwand der numerischen Strömungssimulationen in Grenzen zu halten, erfolgt im ersten Teil der Arbeit eine Vielzahl der Untersuchungen am Beispiel abstrahierter zweidimensionaler Konfigurationen. Aufgrund der Zweidimensionalität des zu selbsterhaltenden Druckfluktuationen führenden Feedback-Mechanismus ist diese Vereinfachung für bestimmte Cavitykonfigurationen unter Umständen zulässig. Im Fall der hier betrachteten Cavities werden sowohl die Amplituden als auch die Frequenzen der periodischen Druckfluktuationen von diesem vereinfachten Modell im Vergleich zur Messung sehr gut wiedergeben. Die verhältnismäßig simple Geometrie der untersuchten Cavitykonfigurationen ermöglicht die Verwendung von strukturierten Rechengittern und den Einsatz effizienter Lösungsalgorithmen. Durch parametrische Variation verschiedener Größen der Anströmung bzw. der Geometrie lassen sich fundamentale Einflüsse der Anströmmachzahl, des Verhältnisses von Länge zu Tiefe oder des Grenzschichtaufbaus auf die Strömung untersuchen. Separate Akustiksimulationen, basierend auf der Lösung der homogenen Helmholtzgleichungen im Inneren der betrachteten Cavity, ermöglichen ein vertieftes Verständnis der Wechselwirkungen zwischen den Phänomenen der Strömung und den angeregten akustischen Resonanzen. Die Erkenntnisse dieser Vorarbeiten werden im zweiten Teil der Arbeit auf die Untersuchungen der instationären Umströmung der komplexen SOFIA-Flugzeugkonfiguration übertragen. SOFIA ist ein deutsch-amerikanisches Projekt zur Erforschung astronomischer Objekte im infraroten Spektralbereich mit Hilfe eines im Rumpf einer Boeing 747-SP untergebrachten Spiegelteleskops. Während der Beobachtung in Stratosphärenhöhe wird der Flugzeugrumpf im Bereich des Teleskops geöffnet. Die Überströmung des Telskopschachts zeigt die allgemein typischen Phänomene der instationären Cavityströmung, die im Fall der hier betrachteten SOFIA-Konfiguration die Teleskopstruktur zu Schwingungen anregt und damit die Beobachtungsqualität beeinträchtigt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die instationäre Umströmung der gesamten SOFIA-Flugzeugkonfiguration inklusive Spiegelteleskop und Cavity mittels URANS und DES simuliert. Der Vergleich der Ergebnisse der URANS-Simulationen mit experimentellen Windkanaldaten zeigt, dass die dominanten niederfrequenten periodischen Druckfluktuationen dieser äußerst komplexen, dreidimensionalen und instationären Strömung vom Verfahren gut wiedergegeben werden. Geringe Unsicherheiten zeigen sich in den berechneten Amplitudenwerten, insbesondere im höherfrequenten Bereich. Die Detached-Eddy-Simulation hingegen liefert auch bei höheren Frequenzen eine hervorragende Übereinstimmung mit den Messwerten. Die Ergebnisse der separat durchgefühten Akustiksimulation deuten auch im Fall der SOFIA-Konfiguration auf die Wechselwirkung zwischen der instationären Strömung und akustischen Resonanzen hin. Die URANS-Simulationen wurden auf hybriden Rechengittern durchgeführt, die aus Prismen, Tetraedern und Pyramiden aufgebaut sind. Für die DES-Simulation wurde im Bereich der Scherschicht zusätzlich ein strukturierter Block mit nahezu isotropen Hexaederzellen eingefügt. Der Einfluss der Türposition auf die Strömungsvorgänge im Teleskopschacht wird anhand von URANS-Simulationen an Modellen mit unterschiedlichem Öffnungsgrad aufgezeigt. Eine der größten Unsicherheiten des SOFIA-Projektes stellt der partiell geöffnete SOFIA-Teleskopschacht während des Öffnungs- bzw. Schließvorgangs der Tür sowie im Fall eines möglichen Versagens des Türantriebs dar, da hierfür nur unzureichend Windkanaldaten vorhanden sind. Zur Kontrolle der Strömung wird im Rahmen der vorliegenden Arbeit das Konzept von stromauf der Cavity angebrachten Wirbelgeneratoren untersucht, die eine Stabilisierung der Scherschicht, und dadurch eine Abschwächung der akustischen Resonanzmoden im Teleskopschacht bewirken. Weiterhin werden mittels Akustiksimulationen verschiedene Konzepte zur Verschiebung der Resonanzfrequenzen untersucht, die auf der Modifikation der Cavitygeometrie beruhen. Ziel dieser Maßnahme ist es, den Abstand zwischen den charakteristischen Frequenzen der akustischen Störungen und den Resonanzen der Teleskopstruktur zu erhöhen.

The flow over open cavities and cutouts is generally characterized by self sustained unsteady pressure fluctuations. The objective of the current thesis is to simulate and to characterize the unsteady flow over the open SOFIA telescope-port by means of URANS and DES, as well as the investigation of means for passive flow- and acoustic control. As the highly nonlinear and complex interaction of the physical phenomena is a significant challenge for the applied simulation models, the validity of the results has been proven by comparison with experimental data and the involved uncertainties have been assessed. In order to limit the computational effort of the numerical simulations, a significant part of the investigations were carried out for a simplified two-dimensional cavity configuration in the first part of this thesis. As the fundamental feedback mechanism is basically a two-dimensional phenomenon, this simulation approach holds true for certain cavity configurations under specific flow conditions. The amplitudes and the frequencies of the pressure fluctuations induced by the flow of the cavities that are investigated within the scope of this thesis, reveal to be in excellent agreement with experimental data. The impact of the flow state, the properties of the upstream boundary layer and the geometrical dimensions of the cavity have been varied parametrically in order to study the impact on the unsteady flow field and the acoustic resonances. The simulations have been carried out with URANS on structured grids. Acoustic simulations based on the solution of the homogeneous Helmholtz equations permit a deeper understanding of the interaction between the unsteady flow and the excited acoustic resonances. In the second part of this thesis, the findings of this study are brought forward to the investigation of the unsteady flow over SOFIA telescope port. SOFIA is a German-American research project to study the universe in the infrared spectrum with an airborne reflecting telescope, located in the fuselage of a Boeing 747-SP. During observation in the lower stratosphere, the fuselage is open in order to expose the telescope to the starry sky. The flow over the open SOFIA telescope-port shows the typical phenomena of general unsteady cavity flow, leading to structural vibrations that deteriorate the pointing stability of the telescope. The entire SOFIA aircraft, including the cavity and the telescope structure, was modeled and simulated with URANS and DES. The comparison between the URANS data and the experiments shows that the significant low-frequency pressure fluctuations are well predicted by the model. Slight uncertainties can be observed in the computed amplitudes, in particular at higher frequencies. By contrast, the Detached Eddy Simulation shows a higher capability of predicting the amplitudes over the whole frequency range. Acoustic simulations reveal, like in the two-dimensional case described above that the unsteady pressure fluctuations inside the telescope port are dominated by acoustic resonances, which are excited by the shear layer dynamics. The URANS- and DES-simulations were carried out on hybrid grids. Viscous boundary layers were resolved by structured prism cells, the rest of the computational domain was discretized by tetrahedra. In order to resolve the small turbulent structures of the shear layer, a structured block, consisting of hexahedra, was placed in the shear layer region in the Detached Eddy Simulations. The acoustic simulations were carried out on unstructured grids, consisting of tetrahedra. The influence of the door position on the unsteady flow inside the telescope port is demonstrated by URANS-simulations for the partially opened cavity. As only very limited wind-tunnel data is available for the partially opened telescope port, one of the most crucial uncertainties of the entire SOFIA-project is the aeroacoustic behavior of the cavity in case of door-drive system failure during opening or closing. The feasibility of vortex generators as a means for passive flow control is presented in the thesis as well. The investigated concept bases on the stabilization of the shear layer that yields a significant decrease of the amplitudes of the acoustic resonances. End-to-End pointing simulations show that this approach increases the pointing stability of the SOFIA telescope significantly. In addition to that, different concepts for shifting the telescope port's acoustic resonance frequencies are proposed. The intention of this approach is to shift the acoustic resonance frequencies away from possible structural resonances of the telescope. The presented approaches base on slight modifications of the cavity wall shape and the integration of baffle plates.