Wavepacket modeling with coherence decay for predicting jet-plate interaction noise

Abstract

O jato proveniente da exaustão dos motores é uma das principais fontes de ruído em aeronaves. Além disso, a integração do motor com a estrutura da asa modifica o campo sonoro em relação ao jato isolado e é cada vez mais importante em novos projetos. Os pacotes de onda são estruturas com importante contribuição para o ruído de jatos, bem como no ruído da interação com o bordo de fuga. Neste trabalho, uma análise de modelos de pacotes de onda para previsão do ruído de jatos instalados foi realizada com o uso geometrias simplificadas. Explorou-se o ajuste dos modelos por meio de dados de escoamento provenientes de simulação numérica. Para tanto, avaliou-se a acurácia de modelos de simulação baseados no método de Lattice Boltzmann (LBM) e de grandes escalas das equações de Navier-Stokes (LES). Somente o modelo LES se mostrou suficientemente acurado para fornecer dados do escoamento requeridos no presente estudo. A partir da equação de Lighthill, um termo fonte simplificado foi extraído dos dados da simulação LES, considerando somente o modo axissimétrico e o primeiro termo do tensor de Lighthill. O campo acústico correspondente foi obtido através de uma abordagem baseada na estatística de dois pontos, utilizando as funções de Green de espaço livre, para o jato isolado, e uma função adaptada representativa de placa semi-infinita, para o jato instalado. Mesmo com essas simplificações, foi possível prever as principais características do campo acústico de jatos isolados e posicionados próximos a placas planas. Um modelo de pacote de onda volumétrico foi ajustado com base no termo fonte da simulação LES. Notaram-se desvios consideráveis na previsão da diretividade do jato isolado em relação ao experimento. Entretanto, boa concordância com os dados experimentais foi obtida com a presença da placa. Grandes diferenças foram também observadas entre resultados de densidade espectral cruzada da simulação LES e do modelo, possivelmente provenientes de erros das funções simplificadas usadas no ajuste dos parâmetros do modelo. Apesar desses erros, os efeitos de ruído do bordo de fuga da placa foram razoavelmente capturados. Além disso, avaliou-se a sensibilidade do campo acústico em relação à modelagem do decaimento de coerência. Os casos com a presença da placa se mostraram muito menos sensíveis a esse parâmetro do que no caso do jato isolado. Frente a elevada sensibilidade do jato isolado a erros nos parâmetros do modelo, avaliou-se também uma fonte unidimensional, envolvendo maior facilidade nos ajustes. Esta foi ajustada com os dados LES integrados radialmente, o que levou melhorias consideráveis na previsão do ruído de jato isolado em baixo número de Strouhal. Em uma avaliação geral, a modelagem para previsão de ruído de jatos instalados se mostrou muito mais simples, com resultados muito menos sensíveis a variações nas características da fonte.

Abstract : The jet flow from engine exhaust is one of the main noise sources in aircraft. Moreover, the effects of engine integration with airframe further intensify noise levels compared to the isolated jet and it is becoming increasingly important in new projects. Wavepackets are structures with important contributions to jet noise, as well as to the noise from the jet interaction with the trailing edge. The wavepacket modeling for installed jet noise prediction was analyzed using simplified geometries. Model parameters were adjusted by means of flow-field data from numerical simulations. Therefore, the accuracy of simulation models based on the Lattice Boltzmann Method (LBM) and Large-eddy Simulation (LES) of the Navier-Stokes equations was analyzed. Only the LES results were considered sufficiently accurate for providing the required flow data for the present study. From the Lighthill?s equation, a simplified source term was extracted from the LES data, considering only the axisymmetric mode and the first term of the tensor. The corresponding acoustic field was obtained by a two-point statistics approach, using the free-field Green?s function for the isolated jet and a tailored function for a semi-infinite plate for the installed jet. Even with the simplifications, it was possible to predict the main characteristics of the acoustic field of both free jets and from jets positioned under flat plates. A volume wavepacket source model was adjusted based on the LES source term. Significant deviations from the experiments were observed in the prediction of the free-jet directivity. Nevertheless, good agreement with the experimental data could be achieved with presence of the plate. Large disparities were also observed between the cross spectral densities of the LES and source model, which possibly came from the use of a simplified function in the model parameter fitting. Even with such errors, the trailing-edge scattering effects were reasonably captured. Furthermore, the sensitivity of the sound field to the coherence decay modeling was assessed. The jet-plate cases were much less sensitive to this parameter than the isolated jet. Due to the high sensitivity of the free jet to errors in the model parameters, an one-dimensional source model was also analyzed, involving greater ease in the adjustments. This source model was adjusted with the use of a radially integrated LES data and led to improvements on the noise prediction of the free jet at low Strouhal number. In general, the modeling for installed jets was shown to be much simpler, with results much less sensitive to variations on the source characteristics.