Análise aeroacústica dos efeitos da utilização do tripping em hélices

Abstract

O rápido avanço urbano e tecnológico impulsionou o uso de drones e aeronaves eVTOL (do inglês, electric vertical take-off and landing) em diversas aplicações, como transporte de carga e passageiros, mas desafios como eficiência energética e controle de ruído precisam ser superados. Para o desenvolvimento de projetos mais eficientes, este trabalho busca analisar a assinatura acústica de hélices, componentes cruciais do sistema de propulsão dessas aeronaves. O modelo VLES/LBM, embora promissor para simular escoamentos turbulentos em torno de hélices, enfrenta desafios na correta previsão dos níveis de turbulência em baixos números de Reynolds. Para contornar este problema, a técnica do zigue-zague tripping é utilizada para perturbar o escoamento e induzir a transição da camada limite laminar para turbulenta, mas seus efeitos aerodinâmicos e acústicos ainda não foram completamente compreendidos. Este trabalho visa investigar numericamente e experimentalmente os efeitos da utilização do tripping, avaliando a sensibilidade do zigue-zague à sua posição na pá da hélice. Utilizando simulações VLES/LBM no software PowerFLOW e ensaios experimentais em câmara semi-anecóica, foram testadas diferentes configurações de posicionamento do tripping, incluindo a ausência e o posicionamento definido por um modelo semi-analítico para a previsão do ponto de transição. Os resultados numéricos e experimentais mostraram que a presença do tripping aumenta o ruído da hélice, tanto em banda larga quanto tonal, sendo a configuração com o tripping posicionado a 25% da corda a mais crítica em termos de aumento de ruído. No entanto, o tripping automático, que em teoria prediz a posição de transição natural da camada limite, apresentou resultados promissores em termos de ruído, aproximando-se do caso sem tripping. Adicionalmente, o tripping resultou em uma redução do empuxo e um aumento do torque, sendo o posicionamento a 25% da corda o mais crítico para ambos os casos. No entanto, o tripping automático, que em teoria prediz a posição de transição natural da camada limite, não se mostrou eficiente em reproduzir o caso sem tripping nos resultados numéricos.

The rapid urban and technological advancement has driven the use of drones and eVTOL (electric vertical take-off and landing) aircraft in various applications, such as cargo and passenger transport. However, challenges like energy efficiency and noise control need to be overcome. To develop more efficient designs, this work aims to analyze the acoustic signature of propellers, crucial components of the propulsion system of these aircraft. The VLES/LBM model, although promising for simulating turbulent flows around propellers, faces challenges in accurately predicting turbulence levels at low Reynolds numbers. To address this issue, the zig-zag tripping technique is used to disturb the flow and induce the transition from a laminar to a turbulent boundary layer, but its aerodynamic and acoustic effects are not yet fully understood. This work aims to numerically and experimentally investigate the effects of using tripping, evaluating the sensitivity of the zigzag to its position on the propeller blade. Using VLES/LBM simulations in the PowerFLOW software and experimental tests in a semi-anechoic chamber, different tripping position configurations were tested, including the absence of tripping and the positioning defined by a semi-analytical model for predicting the transition point. Numerical and experimental results showed that the presence of tripping increases propeller noise, both broadband and tonal, with the configuration with tripping positioned at 25% of the chord being the most critical in terms of noise increase. However, automatic tripping, which in theory predicts the natural transition position of the boundary layer, showed promising results in terms of noise, approaching the case without tripping. Additionally, tripping resulted in a reduction in thrust and an increase in torque, with positioning at 25% of the chord being the most critical for both cases. However, automatic tripping, which in theory predicts the natural transition position of the boundary layer, was not efficient in reproducing the case without tripping in the numerical results.