Caracterização dos mecanismos das fontes sonoras de hélices duplas em co-rotação: avaliação numérica do efeito da distância axial entre as hélices em interposição parcial na geração de fontes sonoras

Abstract

Sistemas de Propulsão Elétrica Distribuída, particularmente para aeronaves eV- TOL, frequentemente utilizam múltiplas hélices próximas, operando sob condições complexas de interação. Embora os efeitos de espaçamento lateral e sobreposição sejam bem documentados, a influência da distância axial entre hélices permanece menos explorada, apesar de sua importância para projetos de aeronaves compactas. Este estudo investiga numericamente os efeitos aerodinâmicos e aeroacústicos da variação da distância axial (laxial ) entre duas hélices idênticas, parcialmente inter- postas e co-rotativas com sobreposição fixa de 25% do diâmetro em condição de voo pairado (J=0). Utilizando o Método de Redes de Boltzmann dentro de um modelo de Simulação de Grandes Escalas Aumentadas implementado no PowerFLOW, esta tese analisa carregamentos aerodinâmicos, características do campo de escoamento e características de ruído de campo distante através de três valores de laxial (10%, 20% e 30% do diâmetro da hélice). Os resultados indicam que a redução de laxial de 30% para 10% impacta significativamente a hélice a montante (Hélice 1), aumentando suas flutuações de torque e de tração e amplificando os níveis de ruído nos picos de alta frequência, especificamente aqueles acima do quinto múltiplo da frequência de passagem de pá. A análise da derivada da pressão na superfície revela magnitudes de flutuação maiores nas pontas das pás da Hélice 1 com a redução de laxial . A hélice a jusante (Hélice 2) exibe flutuações inerentemente maiores devido à ingestão da esteira, mas mostra menor sensibilidade às mudanças de distância axial, com variações de ruído inferiores a 5 dB de OASPL (Overall Acoustics Sound Pressure Level) para o ruído tonal, em comparação com um aumento de quase 10 dB para a Hélice 1. A visualização do escoamento através do critério Lambda-2 revela interações de vórtices intensificadas principalmente na esteira, conforme a distância axial diminui; no entanto, o efeito mais relevante está no desempenho e nos níveis de ruído da Hélice 1. A análise de correlação cruzada dos sinais individuais de ruído de cada hélice indica que a assinatura de ruído da Hélice 1 se assemelha cada vez mais à da Hélice 2 conforme laxial diminui, atingindo valores unitários para os picos de altas frequências. Este comportamento está diretamente relacionado com o padrão observado para a componente de ruído de carregamento das hélices. O padrão observado também corrobora o aumento da intensidade da derivada temporal da pressão ao redor das hélices, o que indica que, com a redução de laxial , as ondas emitidas pela Hélice 2 passam a impactar a Hélice 1, aumentando a intensidade do ruído de carregamento.

Abstract: Distributed Electric Propulsion systems, particularly for eVTOL aircraft, often utilize multiple closely spaced propellers operating under complex interaction conditions. While lateral spacing and overlap effects are well-documented, the influence of axial distance between propellers is less explored despite its importance for compact aircraft designs. This thesis numerically investigates the aerodynamic and aeroacoustic effects of varying the axial distance between two identical, partially interposed, co-rotating propellers with fixed 25% diameter overlap in hover condition (J=0). Using high-fidelity Lattice Boltzmann Method within a Very Large Eddy Simulation model implemented in PowerFLOW, aerodynamic loads, flow field characteristics, and far-field noise across three axial separations (10%, 20%, and 30% of propeller diameter) are analyzed. Reducing the axial distance between the propellers significantly impacts the system?s aerodynamic and aeroacoustic performance, affecting the upstream propeller (Prop. 1) the most, approximating its behavior to the downstram propeller (Prop. 2). This closer proximity leads to increased thrust and torque on Prop. 1, along with a notable amplification of high-frequency harmonics (up to the fifth multiple of the Blade Passing Frequency). This conclusion is supported by an analysis of the generated noise spectrum and its higher-order peaks, supported by physical analysis of the propeller surface pressure time derivative (?p/?t), vortex visualization using the Lambda-2 criterion, and finally a cross-correlation of the propellers? noise signatures. This effect is potentially caused by the acoustic pressures waves radiated from Prop. 2 and the increased interaction on Prop. 1 as the axial distance is reduced, revealed by the time derivative magnitude around the propellers.