Upstream CFD’s contribution to German-funded research project BUZZKATZ

Project description

Project duration: 01 October 2025 – 31 December 2028

The project “BUZZKATZ – Collaborative Project on the Acceptance of Climate-Friendly Aviation Technologies through Noise Reduction” is carried out in cooperation with the following partners:

• Airbus Defence and Space GmbH (https://www.airbus.com/en/products-services/defence)

• German Aerospace Center (DLR), Institute of Propulsion Technology, Berlin (https://www.dlr.de/de/at)

• German Aerospace Center (DLR), Institute of Aerodynamics and Flow Technology, Braunschweig (https://www.dlr.de/de/as)

• MTU Aero Engines AG (https://www.mtu.de/)

• Rolls-Royce Deutschland LTD & Co KG (https://www.rolls-royce.com/country-sites/deutschland.aspx) as consortium leader and

• Upstream CFD GmbH.

BUZZKATZ investigates technologies and methods for the further reduction of aircraft noise from installed aero engines, with the aim of increasing public acceptance of the next generation of climate-friendly aircraft through additional noise reduction.

Within Upstream CFD’s subproject, the open-source CFD software OpenFOAM will be optimized to make scale-resolving aeroacoustic simulations more efficient on GPU-accelerated high-performance computing (HPC) systems. The goal is to reduce computation times by a factor of 20, and to lower both energy consumption and simulation costs by a factor of 6 each.

Aeroacoustics simulations are particularly sensitive to numerical errors. Although many HPC performance gains can be achieved through “shortcuts” (e.g., relaxed convergence tolerances or the use of single and mixed precision to significantly increase GPU performance), it is especially challenging to exploit such savings while maintaining the high accuracy standards required in aeroacoustics. This necessitates innovative approaches and technological advancements.

To ensure that OpenFOAM remains competitive with emerging GPU-enabled proprietary codes, a significantly greater development effort is required—one that cannot be delivered by individuals or small teams alone, but rather by community-driven open-source initiatives such as NeoN and SPUMA.

NeoN represents a complete redevelopment of the CFD backend, optimized for modern hardware architectures and implemented using contemporary programming paradigms. A particular emphasis is placed on portability and modularity to ensure platform independence and vendor neutrality, while enabling the integration of different linear algebra libraries. The redevelopment is expected to deliver very high performance, while carefully balancing other key requirements such as maintainability and portability.

SPUMA takes a lower-risk approach, based on minimal-invasive porting of the OpenFOAM code enabling the entire solver process to run on GPU. Since the maximum expected performance of such a porting approach is expected to be limited compared to a from-scratch rewrite, the initial priority within the BUZZKATZ project will be placed on the NeoN initiative.

Upstream CFD is already part of the NeoN developer community and, within the scope of this project, will contribute domain expertise and direct code development to advance the capabilities of the open-source, GPU-enabled CFD framework—specifically for aeroacoustics applications. By the end of the project, a prototype of the framework will be available, enabling initial exemplary aeroacoustics simulations of industry-relevant test configurations with significantly reduced turn-around time. In the future, this will allow scale-resolving aeroacoustics simulations to be performed earlier in the design process and will also facilitate the generation of large AI training datasets, supporting advanced modeling and design cycle approaches.

Upstream CFD’s subproject is embedded within Work Package 1.3, “Analysis of Aeroacoustics Resonance – Prediction and Mitigation,” in which various numerical prediction methods are validated with respect to solution quality against experimental measurement data.

Scientific studies have demonstrated the health impacts of aircraft noise. Many European airports take aircraft noise into account in their operations, for example by imposing noise-dependent charges or restricting flight operations due to noise considerations. The noise reduction measures planned in BUZZKATZ address the conflict between economic growth and aircraft noise in a cost-efficient manner by reducing noise at the source while simultaneously lowering carbon dioxide and water vapor emissions.

Public funding enables international collaboration between industry, leading research institutions, and small and medium-sized enterprises (SMEs). Within the framework of independent research proposals, the partners generate fundamental results that are subsequently made available for broader exploitation.

The project is funded by the German Federal Ministry for Economic Affairs and Energy under grant number 20T2402A.

Projektbeschreibung (Deutsch)

Durchführungszeitraum: 01.10.2025 – 31.12.2028

Das Vorhaben „BUZZKATZ - Verbundvorhaben zur Akzeptanz klimafreundlicher Luftfahrttechnologien durch Lärmreduzierung“ wird im Verbund mit den Partnern

• Airbus Defence and Space GmbH https://www.airbus.com/en/products-services/defence

• dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Antriebstechnik, Berlin (https://www.dlr.de/de/at)

• dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik, Braunschweig (https://www.dlr.de/de/as)

• der MTU Aero Engines AG (https://www.mtu.de/),

• Rolls-Royce Deutschland LTD & Co KG (https://www.rolls-royce.com/country-sites/deutschland.aspx) als Verbundführer und

• der Upstream CFD GmbH

durchgeführt.

BUZZKATZ erforscht Technologien und Methoden zur weiteren Reduktion von Fluglärm am installierten Flugtriebwerk, um die Akzeptanz der nächsten Generation klimafreundlicher Luftfahrzeuge durch weitere Lärmreduktion zu steigern.

Im Rahmen des Teilvorhabens der Upstream CFD wird die Open-Source-CFD-Software OpenFOAM optimiert, um skalenauflösende aeroakustische Simulationen auf GPU-beschleunigten Hochleistungsrechnern (HPC-Systemen) effizienter durchführen zu können. Ziel ist es, die Rechenzeiten um den Faktor 20 zu reduzieren sowie Energieverbrauch und Simulationskosten jeweils um den Faktor 6 zu senken.

Aeroakustische Simulationen sind besonders empfindlich gegenüber numerischen Fehlern. Obwohl viele Leistungssteigerungen im HPC-Bereich durch „Abkürzungen“ erzielt werden können (z. B. gelockerte Konvergenztoleranzen oder der Einsatz von Einzel- und gemischter Präzision zur deutlichen Steigerung der GPU-Leistung), stellt es eine besondere Herausforderung dar, solche Einsparungen zu nutzen und gleichzeitig die hohen Genauigkeitsanforderungen der Aeroakustik aufrechtzuerhalten. Dies erfordert innovative Ansätze und technologische Weiterentwicklungen.

Um sicherzustellen, dass OpenFOAM gegenüber aufkommenden GPU-fähigen, proprietären Codes wettbewerbsfähig bleibt, ist ein deutlich größerer Entwicklungsaufwand erforderlich – ein Aufwand, der weder von Einzelpersonen noch von kleinen Teams allein erbracht werden kann, sondern nur durch gemeinschaftsgetriebene Open-Source-Initiativen wie NeoN und SPUMA.

NeoN stellt eine vollständige Neuentwicklung des CFD-Backends dar, die für moderne Hardwarearchitekturen optimiert und unter Verwendung zeitgemäßer Programmierparadigmen implementiert wird. Besonderer Wert wird auf Portabilität und Modularität gelegt, um Plattformunabhängigkeit und Herstellerneutralität sicherzustellen sowie die Integration unterschiedlicher Linear-Algebra-Bibliotheken zu ermöglichen. Von der Neuentwicklung wird eine sehr hohe Leistungsfähigkeit erwartet, wobei zugleich zentrale Anforderungen wie Wartbarkeit und Portabilität sorgfältig berücksichtigt werden.

SPUMA verfolgt einen risikoärmeren Ansatz, der auf einer minimalinvasiven Portierung des OpenFOAM-Codes basiert und es ermöglicht, den gesamten Löserprozess auf der GPU auszuführen. Da die maximal zu erwartende Leistungsfähigkeit eines solchen Portierungsansatzes im Vergleich zu einer vollständigen Neuentwicklung begrenzt ist, liegt die anfängliche Priorität im BUZZKATZ-Projekt auf der NeoN-Initiative.

Upstream CFD ist bereits Teil der NeoN-Entwicklergemeinschaft und wird im Rahmen dieses Projekts fachliche Expertise sowie direkte Code-Entwicklung einbringen, um die Fähigkeiten des quelloffenen, GPU-fähigen CFD-Frameworks gezielt für aeroakustische Anwendungen weiterzuentwickeln. Zum Projektende wird ein Prototyp des Frameworks zur Verfügung stehen, der erste exemplarische aeroakustische Simulationen industrie-relevanter Testkonfigurationen mit deutlich reduzierter Durchlaufzeit ermöglicht. Perspektivisch erlaubt dies, skalenauflösende aeroakustische Simulationen früher im Entwicklungsprozess einzusetzen sowie umfangreiche KI-Trainingsdatensätze zu generieren, die fortgeschrittene Modellierungs- und Designzyklus-Ansätze unterstützen.

Das Teilvorhaben der Upstream CFD ist im Arbeitspaket 1.3 „Analyse aeroakustischer Resonanzen – Vorhersage und Minderung“ angesiedelt. In diesem Arbeitspaket werden verschiedene numerische Vorhersageverfahren hinsichtlich ihrer Lösungsqualität anhand experimenteller Messdaten validiert.

Wissenschaftliche Arbeiten belegen die Auswirkungen von Fluglärm auf die Gesundheit. Viele Europäischen Flughäfen berücksichtigen Fluglärm im Betrieb und erheben beispielsweise lärmabhängige Gebühren oder schränken den Flugverkehr auf Grund des Fluglärms ein. Durch die in BUZZKATZ geplanten Lärmminderungsmaßnahmen an der Quelle bei gleichzeitiger Verringerung des Kohlendioxids- und Wasserdampf-Ausstoßes wird der Konflikt zwischen ökonomischem Wachstum und Fluglärm auf kosteneffiziente Weise adressiert.

Durch öffentliche Förderung wird eine internationale Zusammenarbeit zwischen der Industrie, führenden Forschungseinrichtungen und kleinen sowie mittelständischen Unternehmen (KMU) ermöglicht. Im Rahmen selbstständiger Forschungsanträge erarbeiten die Partner grundlegende Ergebnisse, die anschließend für eine breitere Verwertung zur Verfügung stehen.

Das Vorhaben wird mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie unter dem Förderkennzeichen 20T2402A gefördert.