Investigação de erros no cálculo direto de ruído de um monopolo acústico em meio ao escoamento uniforme utilizando OpenFOAM

Abstract

O ruído na indústria aeronáutica representa um desafio significativo, impactando negativamente a qualidade de vida dos moradores próximos aos aeroportos, o conforto dos passageiros durante as viagens e a saúde dos trabalhadores aeroportuários. Na literatura, estão sendo realizadas análises com o objetivo de reduzir esse problema por meio da identificação de fontes sonoras e propostas de estratégias de redução de ruído através de simulações numéricas. Nesse sentido, este trabalho apresenta uma investigação dos erros no cálculo direto de ruído de um monopolo acústico em meio ao escoamento uniforme por meio da Aeroacústica Computacional (CAA). Para isso, foram realizadas simulações numéricas utilizando o software OpenFOAM, visando analisar o desempenho de configurações de malha, refino e efeito da variação de esquemas numéricos clássicos em Fluidodinâmica Computacional (CFD). Os resultados comparativos entre as simulações e a solução analítica disponível na literatura permitiram inferir que é necessário uma discretização mínima de 32 pontos por comprimento de onda para manter o erro espacial abaixo de 4%. Além disso, os esquemas espaciais de segunda ordem representaram com boa concordância o campo de pressão, enquanto que os esquemas de primeira ordem dissiparam a onda. Por outro lado, em baixa discretização temporal os esquemas numéricos de segunda ordem apresentaram oscilações espúrias no campo de pressão, indicando ser uma boa prática possuir no mínimo 1000 passos de tempo por período.

Noise in the aeronautical industry represents a significant challenge, negatively impacting the quality of life of residents near airports, passenger comfort during flights, and the health of airport workers. In the literature, analyses are being conducted with the goal of reducing this problem by identifiying of sound sources and by proposing noise reduction strategies via numerical simulations. In this sense, this work presents an investigation of errors in the direct noise calculation of an acoustic monopole in uniform flow through Computational Aeroacoustics (CAA). For this purpose, numerical simulations were carried out using OpenFOAM software, aiming to analyze the performance of mesh configurations, refinement, and the effect of the application of different classic numerical schemes in Computational Fluid Dynamics (CFD). Comparative results between simulations and the analytical solution available in the literature allowed us to infer that a minimum discretization of 32 points per wavelength is necessary to keep spatial error below 4%. Furthermore, second-order spatial schemes represented the pressure field with good agreement, while first-order schemes dissipated the wave. On the other hand, at low temporal discretization, second-order numerical schemes showed spurious oscillations in the pressure field, indicating that it is good practice to have at least 1000 time steps per period.