A computational investigation of jet-plate interaction noise using a Lattice-Boltzmann based method

Abstract

Quando o motor é montado em uma aeronave, fontes adicionais de ruído são geradas devido à interação do jato de exaustão com os dispositivos hipersustentadores da aeronave, i.e. asa e flaps. O chamado efeito de instalação é observado como (1) um aumento do ruído em baixas frequências devido ao espalhamento acústico do campo próximo do jato e (2) redirecionamento do campo acústico em médias e altas frequências devido a efeitos de reflexão sonora. Neste trabalho, propõe-se o uso de um modelo computacional para investigar o ruído de instalação. Para tanto, é considerada a interação entre um jato subsônico e uma placa plana. As simulações foram realizadas em um solver comercial de simulação de largas escalas baseado no Método de Lattice-Boltzmann (LBM). A predição do ruído em campo distante é obtida por meio do método de Ffowcs Williams & Hawkings (FWH). Inicialmente, uma análise de validação foi conduzida em um modelo computacional de um jato isolado, a fim de avaliar a influência da resolução da malha sobre os resultados fluidodinâmicos e acústicos. Os resultados acústicos em campo distante foram validados através de medições realizadas na bancada experimental de jatos, localizada no Laboratório de Vibrações e Acústica (LVA), da Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC), Brasil. Posteriormente, o modelo numérico foi empregado para investigar alguns aspectos fundamentais relacionados ao efeito da instalação, tais como: (1) a influência da placa sobre o campo aerodinâmico do jato; (2) caracterização do campo de pressão incidente sobre a placa; (3) o efeito de instalação sobre o ruído em campo distante; e (4) contribuição da placa para o ruído em campo distante.

Abstract : When an engine is mounted on an aircraft, additional noise sources are generated due to the close integration of the jet exhaust nozzle and the aircraft high-lift devices (HLD), i.e. wing and flaps. The so-called installation effects are observed as (1) a low-frequency augmentation on the far-field noise due to the scattering of the jet near-field by the HLD and (2) as shielding effects at mid- and high-frequencies due to the reflection of the sound waves at the HLD. In this work, the use of a computational model is proposed to investigate some fundamental aspects of the installation noise by considering the interaction between a subsonic jet and a flat plate. The simulations are conducted using a commercial Large-Eddy flow solver based on the Lattice-Boltzmann Method (LBM). The far-field acoustic prediction is obtained using the Ffowcs Williams & Hawkings (FWH) integral formulation. Initially, a validation analysis of the computational model of an isolated jet is conducted to assess the influence of the grid resolution on the flow and acoustic predictions. The far-field acoustic results are validated by experiments conducted in the jet rig located at the Laboratory of Vibrations & Acoustics (LVA) of the Federal University of Santa Catarina (UFSC), Brazil. Thereafter, the numerical model is employed to investigate some aspects concerning the installation effect, such as: (1) the influence of the plate on the jet flow; (2) characterization of the pressure field incident upon the plate; (3) the installation effect on the acoustic far-field and (4) the contribution of the plate to the far-field noise.