LuFo VII-1 - EmBreCOfF / Teilvorhaben IkaRuS - Identifikation und Charakterisierung von Brennkammerlärm und Rumble von Strahltriebwerken

von Sinan Felix Klein und Wolfgang Polifke

Einführung

Durchführungszeitraum: 01.01.2026 bis 31.12.2029
Das Vorhaben „EmBreCOfF - Emissionsarmes Brennkammersystem für CO2 freies Fliegen“ wird unter der Führung von Rolls-Royce Deutschland Ltd & Co KG im Verbund mit den Partnern Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. – Institut für Antriebstechnik, Technische Universität Darmstadt – Fachgebiet Simulation reaktiver Thermo-Fluid Systeme, Technischen Universität München – Professur für Thermofluiddynamik und Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. – Institut für Verbrennungstechnik, durchgeführt. Mit EmBreCOfF setzt der Verbund die im Rahmen des LuFo VI-3 Vorhabens TeTeAnt-H2 Teilvorhaben Bretuflex begonnen Arbeiten für ein emissionsoptimiertes kraftstoff-flexibles Brennkammersystem in der Programmlinie Industrielle Forschung mit dem Schwerpunkt „Konventionelle Flugantriebe“, mit dem erweiterten Fokus auf nachhaltige und digitale Fertigungsmethoden sowie genauere fortgeschrittene Mess- und Auslegungsmethoden fort. Weitere Details zum Projekt sind auf folgender Website zu finden: www.rolls-royce.com/country-sites/deutschland/uberblick.aspx

Teilvorhaben IkaRuS

Am Lehrstuhl für Thermofluiddynamik wird das Teilvorhaben IkaRuS - Identifikation und Charakterisierung von Brennkammerlärm und  Rumble von Strahltriebwerken bearbeitet. 

Problembeschreibung

Die Dekarbonisierung des Luftverkehrs erfordert brennstoffflexible Triebwerke, die sowohl mit CO2​-neutralen Kraftstoffen als auch mit Kerosin betrieben werden können. Diese Flexibilität erhöht jedoch bei gleichzeitiger Schadstoffreduktion das Risiko für thermoakustische Instabilitäten. Ein zentrales Problem ist der sogenannte „Rumble“, eine tieffrequente Instabilität, die zwar meist nicht strukturschädigend ist, aber durch hohe Lautstärke den Komfort für Passagiere und Bodenpersonal massiv beeinträchtigt. Bisherige Modelle zur Vorhersage dieser Phänomene sowie zur Quantifizierung von indirektem Verbrennungslärm sind oft nicht präzise genug, was die Entwicklung effektiver Gegenmaßnahmen im industriellen Designprozess erschwert. Insbesondere ist der Einfluss verschiedener Spray- und Verbrennungsmodelle auf die Vorhersagegenauigkeit der Flammendynamik noch unzureichend geklärt.

Ziel des Teilvorhabens

Das Hauptziel von IkaRuS ist die Verbesserung von Modellierungswerkzeugen und Vorhersagemethoden für thermoakustische Analysen. Konkret soll eine hybride Modellierungsumgebung geschaffen werden, die eine systematische Beeinflussung und Reduktion des Verbrennungslärms ermöglicht. Dabei steht die Identifizierung akustisch-entropischer Interaktionen im Fokus, um Instabilitäten wie Rumble frühzeitig entgegenzuwirken. Ein weiteres Ziel ist die Charakterisierung der Dynamik von Spray- und Wasserstoffflammen an anwendungsnahen Prüfständen wie SCARLET und FANN. Durch den Vergleich numerischer Vorhersagen mit experimentellen Lärmspektren soll die Genauigkeit der Modelle validiert werden. Letztlich sollen Best-Practice-Leitlinien für die industrielle Anwendung entwickelt werden.

Methodik und Umsetzung

Das Vorhaben nutzt einen hybriden Ansatz, der komplexe strömungsmechanische Vorgänge von der Systemakustik trennt. Zunächst werden mittels hochauflösender Grobstruktursimulationen (LES) Zeitreihendaten der turbulenten Verbrennung erzeugt. Mithilfe von Methoden der Systemidentifikation (SI) werden daraus Flammen- und Entropietransferfunktionen (FTF bzw. ETF) sowie unkorrelierte Quellterme für direkten und indirekten Lärm abgeleitet. Parallel dazu wird ein niedrigdimensionales Netzwerkmodell der Prüfstandsakustik auf Basis der Bibliothek tax erstellt und mittels modellbasierter Inferenz (MBI) sowie Bayes’scher Inferenz validiert. Abschließend werden die identifizierten Transferfunktionen in das Netzwerkmodell oder einen Helmholtzlöser integriert, um Stabilitätsanalysen durchzuführen und Lärmspektren vorherzusagen. Dies erlaubt eine quantitative Bewertung der akustischen, intrinsischen oder entropischen Natur von Eigenmoden.

Acknowledgement