Low-to mid-fidelity modeling of propeller tonal noise at high tip speeds under angular inflow

Abstract

Aeronaves com propulsão a hélice devem desempenhar um papel central nos próximos anos para suprir a crescente demanda por transporte rápido em áreas urbanas densamente povoadas, além de ampliar a integração entre regiões pouco conectadas. Contudo, o ruído tonal de hélices constitui uma barreira significativa à aceitabilidade social da mobilidade aérea urbana e regional. As emissões de ruído tonal são afetadas por parâmetros operacionais, principalmente o número de Mach de ponta de pá e a angularidade do escoamento, que devem ser considerados desde as fases iniciais do projeto. Para projeto preliminar e otimização, metodologias aeroacústicas de baixa a média fidelidade oferecem vantagens devido ao seu menor custo computacional e geralmente se baseiam em analogias acústicas, que concentram a complexidade do problema aeroacústico na definição de termos-fonte acurados e permitem tratar a propagação sonora separadamente. Nesse contexto, é crucial avaliar até que ponto a fidelidade da modelagem aerodinâmica afeta as variáveis aerodinâmicas utilizadas no cálculo acústico e, consequentemente, a predição do ruído tonal sob números de Mach de ponta e condições de escoamento angular representativos da mobilidade aérea urbana e regional. O presente trabalho investiga essa questão avaliando a aplicabilidade de uma metodologia de baixa fidelidade, baseada em uma extensão da teoria de momentum de elemento de pá que inclui escoamento angular, e de uma metodologia de média fidelidade baseada no software de código aberto DUST, que adota a formulação velocidade-vorticidade do escoamento. Ambas aplicam polares de aerofólios estendidas ao regime transônico via correções de compressibilidade que consideram divergência de arrasto e, para a propagação sonora, adotam o modelo no domínio da frequência de Hanson e Parzych para o ruído tonal de hélices sob escoamento angular. Ensaios ao ar livre são feitos com uma hélice comercial de duas pás e 27 polegadas de diâmetro, montada em uma bancada de testes para fornecer dados de referência. A pressão sonora é medida com um arranjo de nove microfones de campo livre, com a hélice operando em quatro números de Mach de ponta de pá entre 0,49 e 0,74; os componentes tonais são extraídos via média síncrona no tempo. Os dois modelos aerodinâmicos mostram boa concordância com as medições experimentais de empuxo e torque, com o DUST se sobressaindo na predição de torque. A validação acústica mostra boa concordância nos níveis de pressão sonora, especialmente no primeiro harmônico da frequência de passagem das pás, com concordância mantida até harmônicos de ordem mais elevada à medida que o número de Mach de ponta aumenta. A análise das fontes de ruído mostra que o aumento da velocidade de ponta torna o ruído de espessura dominante nos harmônicos superiores, enquanto, em velocidades de ponta menores, esses harmônicos são fortemente influenciados pelo ruído de carregamento não-estacionário. Por fim, para antecipar os efeitos do escoamento angular em futuras campanhas experimentais, é realizado um estudo paramétrico com a metodologia de média fidelidade, variando a velocidade do vento e o ângulo de incidência além da faixa abrangida pelos ensaios experimentais. As tendências indicam que o aumento do ângulo de incidência leva a maior empuxo, com esse aumento se tornando progressivamente menos significativo à medida que o número de Mach de ponta cresce. Além disso, em comparação ao cenário de escoamento puramente axial, os espectros de ruído tonal preditos apresentam níveis elevados, especialmente nos harmônicos de maior ordem para observadores a montante e jusante.

Abstract: Propeller-driven aircraft are expected to play a central role in the coming years in meeting the growing demand for fast transportation in densely populated urban areas, as well as in improving connectivity between underserved regions. However, propeller tonal noise represents a significant barrier to the societal acceptance of urban and regional air mobility. Tonal noise emissions are affected by operational parameters, particularly the blade tip Mach number and inflow angularity, which must be considered from the early stages of the design process. For preliminary design and optimization, low- to mid-fidelity aeroacoustic workflows offer advantages due to their lower computational cost and generally rely on acoustic analogies, which concentrate the complexity of the aeroacoustic problem in the definition of accurate source terms and allow sound propagation to be treated separately. In this context, it is essential to assess the extent to which aerodynamic modeling fidelity affects the aerodynamic variables used in acoustic calculations and, consequently, tonal noise predictions at tip Mach numbers and under angular inflow conditions representative of urban and regional air mobility. This work investigates the applicability of a low-fidelity workflow based on an extension of blade element momentum theory that accounts for angular inflow, and a mid-fidelity workflow based on the open-source software DUST, which adopts a velocity-vorticity formulation of the flowfield. Both workflows use airfoil polars extended into the transonic regime through compressibility corrections that account for drag divergence and employ the frequency-domain model of Hanson and Parzych for tonal noise from propellers under angular inflow to model sound propagation. Outdoor experiments are conducted using an off-the-shelf, two-bladed propeller with a diameter of 27 inches, mounted on a test rig to provide benchmark data. Sound pressure is measured using an array of nine free-field microphones, with the propeller operating at four blade tip Mach numbers ranging from 0.49 to 0.74. Tonal components are extracted using time synchronous averaging. Both aerodynamic models show good agreement with experimental thrust and torque measurements, with DUST performing better in torque prediction. Acoustic validation shows good agreement in sound pressure levels, particularly at the fundamental of the blade passing frequency, with agreement extending to higher-order harmonics as the tip Mach number increases. The noise source analysis indicates that increasing tip speed makes thickness noise dominant at higher-order harmonics, whereas, at lower tip speeds, these harmonics are strongly influenced by unsteady loading noise. Finally, to anticipate the effects of angular inflow in future experimental campaigns, a parametric study is conducted using the mid-fidelity workflow, varying wind speed and incidence angle beyond the range covered by the experiments. The trends indicate that increasing the incidence angle leads to higher thrust, with this increase becoming progressively less significant as the tip Mach number rises. Furthermore, compared with purely axial inflow, the predicted tonal noise spectra exhibit higher levels, particularly at higher-order harmonics for observers upstream and downstream of the propeller.