Análise experimental de um bocal com anel gerador de vórtices para redução do ruído de jatos subsônicos

Abstract

O jato de exaustão de motores é uma das principais fontes de ruído em aeronaves civis, princi-palmente durante a decolagem. Alterar o escoamento na pluma do jato pode ser uma alternati-va para modificar o desenvolvimento de estruturas turbulentas e reduzir o ruído gerado. Di-versos dispositivos com esse propósito têm sido propostos e investigados, tais como os tabs e chevrons. O presente trabalho objetiva analisar os efeitos de um bocal com um anel gerador de vórtices na forma de zigzag sobre os campos acústico e fluidodinâmico de jatos subsônicos. A bancada, já validada anteriormente para medições acústicas de jato, foi também validada para medições de velocidade e de intensidade turbulenta através de comparações com dados da literatura. Inicialmente, determinou-se a espessura ótima do anel gerador de vórtices para efei-to de redução de ruído, sendo então as alterações no escoamento do jato geradas por essa ge-ometria caracterizadas através de medições com anemometria de fio-quente. A partir dessas medições, buscou-se relacionar as mudanças observadas no campo acústico com as mudanças no campo fluidodinâmico. Os resultados acústicos mostraram que o anel gerador de vórtices em zigzag origina três principais efeitos: (i) reduções no nível de pressão sonora para frequên-cias correspondentes a números de Strouhal menores do que 3,3; (ii) reduções de até 2 dB em OASPL para Mach 0,5 nos ângulos polares mais a jusante; (iii) reduções de até 1dB em OA-SPL para Mach 0,9 também nos ângulos polares mais a jusante. As medições do campo flui-dodinâmico mostraram as seguintes modificações causadas pelo anel gerador de vórtices: (i) diminuição da intensidade turbulenta axial ao longo da lipline entre x = 1DJ e x = 8DJ; (ii) camada de mistura mais espessa até x = 2,5DJ e mais fina em posições x > 2,5DJ ; (iii) maior comprimento do cone potencial; (iv) diminuição da energia cinética turbulenta na linha de cen-tro até x = 6DJ. A partir da análise dos resultados acústicos e fluidodinâmicos deste trabalho e de dados da literatura, conclui-se que a redução do ruído observada está relacionada com a diminuição na intensidade turbulenta da camada de mistura, a qual por sua vez está relaciona-da com a redução da taxa de crescimento das estruturas coerentes que se desenvolvem na pluma do jato.

Abstract: The turbulent jet issuing from the exhaust of aircraft engines is one of the major noise sources in civil aircraft, especially during take-off. Changing the jet plume flow is an alternative to modify the development of turbulent structures and lead to the jet noise reduction. Several devices for this purpose are being proposed and investigated, such as tabs and chevrons. The present work aims to analyze the effects of a zigzag-shaped vortex generator ring installed inside the nozzle surface on the acoustic and flow fields of subsonic jets. The jet rig used in this work, which has been previously validated for acoustic measurements, was also validated for measurements of velocity and turbulent intensity through comparisons with literature data. The analysis of the vortex generator was split in two steps. First, the optimum thickness of the vortex generator ring was determined for noise reduction effect using acoustic measurements. Second, the changes in jet flow generated by the optimum geometry were characterized by measurements with hot-wire anemometry. From these measurements, the changes observed in the acoustic field were related to the changes in the flow field. The acoustic results showed that the zigzag vortex generator ring has three main effects: (i) reductions in the sound pres-sure level for frequencies corresponding to Strouhal numbers of less than 3.3; (ii) reductions of up to 2 dB in the OASPL for Mach 0.5 at the most downstream polar angles (rear-arc); (iii) reductions of up to 1dB in the OASPL for Mach 0.9 also at the most downstream polar angles (rear-arc). The measurements of the flow field showed the following modifications caused by the vortex generator ring: (i) decrease in the axial turbulent intensity along the lipline between x = 1DJ and x = 8DJ; (ii) thicker mixing layer up to x = 2.5DJ and thinner at x > 2.5DJ posi-tions; (iii) longer potential core; (iv) reduction of the turbulent kinetic energy at the centerline up to x = 6DJ. Based on these acoustic and flow results and those from the literature, it is con-cluded that the noise reduction is associated with the reduction in the turbulent intensity in the mixing layer, which in turn is related to the reduction of the growth rate of the turbulent coherent structures that develop in the jet plume.