Numerical study of jet-flap interaction noise and a procedure for designing thrust gates

Abstract

O ruído de interação jato-flap (JFI) é causado pela proximidade dos motores turbofan com as superfícies de sustentação, ocorrendo principalmente na decolagem e pouso. Devido ao aumento do tamanho de suas dimensões na próxima geração de aeronaves, motores turbofan tendem a ficar ainda mais próximos da asa de forma a manter uma distância segura do solo. Além disso, a necessidade de redução de nível de ruído percebido em 65% até 2050, faz com que estudos sobre o ruído de JFI e estratégias para sua mitigação sejam necessários. Nesse contexto, a utilização de thrust gates nos flap podem ser uma das alternativas para redução de ruído. A presente investigação objetiva estudar os efeitos do ruído JFI e sua mitigação mediante o emprego de thrust gates retangulares e côncavos dimensionados através de um critério quantitativo. Para atingir esse objetivo, o Método Lattice Boltzmann (LBM) foi adotado para simulações de grandes escalas (VLES) do escoamento com números de Mach 0,5 e 0,7 em modelos simplificados de asa-flap e inclinações dos ângulos de flap 7°, 15° e 30°. Inicialmente, um estudo de convergência da malha computacional foi realizado para um jato livre e dois jatos instalados (com e sem thrust gate), considerando o número Mach 0,7 com o emprego do índice de convergência de malha (GCI) para parâmetros dos campos de velocidade e acústico. Em seguida, a validação do modelo numérico foi realizada através dos resultados numéricos com dados experimentais. Os resultados numéricos do ruído decorrente da interação jet-flap (JFI) mostraram a presença de directividade, interferência destructiva, amplificações e bloqueio, bem como presença de tons. Em termos gerais, os resultados também mostraram que a inclinação do flap intensificam esses efeitos. A fim de mitigar esses efeitos, um critério foi proposto para dimensionar thrust gates retangulares e côncavos com base no carregamento de pressão devido ao escoamento sobre a superfície do flap considerando números Mach 0,5 e 0,7 e inclinações do flap de 7° e 30°. Apesar do critério ter se mostrado mais eficaz para thrust gates retangulares, reduções significativas de ruído foram obtidas mesmo com thrust gates côncavos. Em uma avaliação geral, o método numérico LBM-VLES mostrou-se adequado para prever o ruído de jatos livres e instalados com e sem thrust gate, bem como para análises de sua atenuação usando thrust gates.

Abstract: Jet-Flap Interaction (JFI) noise is caused by the proximity of the turbofan engine to airframe surfaces, occurring mainly at take-off and landing. Due to the increase in the size of turbofan engines for the next generation of aircraft, their proximity to the wing tends to increase, in order to maintain a minimum ground clearance. This, associated with the need to reduce the perceived noise by 65% for 2050, makes necessary studies on the JFI noise and strategies for its mitigation necessary. In this context, geometric modifications of the flap, known as thrust gates could be an alternative. In accordance with the industry needs, the present investigation aims to study JFI noise and its mitigation by fitted rectangular and concave thrust gates based on a quantitative criterion. To accomplish the objective, numerical simulations based on the Lattice Boltzmann Method (LBM), coupled with the Very Large Eddy Simulation (VLES) approach under subsonic conditions and using simplified wing-flap models were performed for Mach numbers 0.5 and 0.7 and flap angle inclinations 7°, 15° and 30°. Initially, a spatial grid independence study for a free jet and two installed jets (with and without thrust gate), considering Mach number 0.7 was conducted. A converged grid supported by a Grid Convergence Index (GCI) analysis for y+, boundary layer at the nozzle exit and OASPL was obtained. Then, considering the converged grid, the numerical model validation was performed, comparing the numerical results with measurements. The numerical results concerning the noise resulting from the JFI presented noise directivity, destructive interference, amplification and shielding, and presence of tones. In general terms, these effects were observed to be stronger with the presence of the flap and its deflection angle. In this sense, it was proposed a criterion for fitting rectangular and concave thrust gates based on mean gauge pressure computed at the bottom side of the flap considering Mach number 0.5 and 0.7 combined with flap angle inclinations 7° and 30°. Despite the criterion had shown to be more effective for rectangular thrust gates, important noise reductions were achieved using the concave ones. In a general assessment, the numerical method LBM-VLES proved to be quite efficient to predict the noise caused by the free and installed jets with and without thrust gates, as well as for the exhaustive analyses concerning JFI noise and its mitigation by fitted thrust gates developed in this work.