Fan noise prediction of aero-engines based on a modal approach in the presence of acoustic treatment and inviscid sheared flows

Abstract

A previsão do ruído gerado por motores aeronáuticos, em condição de voo, é uma ferramenta importante para o projeto de uma aeronave ou um motor. Tais ferramentas possibilitam investigar o ruído de diferentes componentes desses motores, dentre os quais o ruído proveniente do fan pode ser mais significativo em determinadas condições de voo. Em geral, o campo sonoro gerado pelo fan dentro da nacele pode ser computado por meio de uma representação modal, a qual pode ser correlacionada com os diferentes mecanismos de geração sonora como ruído tonal (devido ao movimento periódico) e de banda larga (associado com escoamento turbulento). Para reduzir o ruído de tais mecanismos, liners acústicos são comumente utilizados, os quais, em geral, são modelados como uma impedância acústica localmente reativa. No entanto, sob condições realistas de escoamento, as propriedades de absorção acústica dos liners e a mitigação de ruído resultante podem ser afetadas, o que pode levar a uma redução na sua eficiência e a modificação da direcionalidade do ruído resultante em campo distante. Desta forma, o principal objetivo do presente estudo pode ser dividido em duas partes. O primeiro é dedicado ao desenvolvimento de uma ferramenta analítica para estimar a atenuação do ruído do fan provocada pelo liner em termos de propagação interna e radiação em campo distante. Em outras palavras, desenvolver uma ferramenta de predição que possa ser utilizada no projeto do tratamento acústico de naceles na presença de escoamento realístico ainda na fase de projeto conceitual. A segunda parte é comparar o efeito da atenuação do liner no campo distante para diferentes condições de contorno que representam os liners, envolvendo escoamentos médios uniforme e não-uniforme. Neste caso, as condições de contorno de Ingard-Myers e Brambley, bem como a solução de Pridmore-Brown são usadas para estimar os efeitos de atenuação do liner na presença de uma camada limite com espessura finita. Para o som irradiado para fora do duto foram implementadas as formulações de Rayleigh, Kirchhorff e Wiener-Hopf para campo próximo e distante. O estudo foi conduzido considerando parâmetros típicos da geometria de naceles e as condições de operação de motores turbofan modernos. Para os casos de escoamento uniforme, uma solução de referência foi obtida a partir de um código baseado no método de elementos finitos e usada para validar os modelos analíticos, os quais são baseados na técnica de mode-matching e em modelo de radiação. Os resultados dentro do duto, em termos de perda de transmissão e taxa de decaimento modal sugerem que uma espessura de camada limite crescente implica na redução direta da atenuação sonora do liner aplicado ao intake do motor. Além disso, a interação entre os efeitos de refração e a resistência e reatância do liner pode ser de natureza complexa, onde o efeito da camada limite depende fortemente da impedância do liner, e os dois não podem ser separados. Por outro lado, os modos transmitidos podem ser acoplados a um modelo de radiação analítica para computar a solução em todo o domínio. Os resultados sugerem que a espessura da camada limite influencia diretamente no espalhamento modal produzido pelas descontinuidades do liner, o que pode resultar em um comportamento complexo (com uma redistribuição da energia acústica em outros modos propagantes) em termos de radiação de ruído. A partir da integração destas abordagens estudadas, é possível obter uma ferramenta de engenharia simples e rápida para investigar diretamente como as variáveis relacionadas à impedância do liner influenciam o ruído do fan nas etapas de propagação e radiação.

Abstract: The prediction of noise generated by aero-engine components and their mutual interaction for in-flight condition is an important tool for the aircraft design. Such tools make it possible to investigate the noise of different elements of these engines, in which fan noise may be the most significant under certain flight conditions. In general, the sound field generated by the fan within the nacelle can be computed employing a modal representation, which can be correlated with different sound generation mechanisms such as tonal (due to periodic movement) and broadband noise (associated with turbulent flow). In order to reduce these noise sources, acoustic liners are commonly used for noise control, which are frequently modeled as a locally reacting acoustic impedance. However, under realistic flow conditions, the acoustic absorbing properties of liners and the resulting noise mitigation can be affected, which may lead to a reduction in their efficiency and modification of the far-field sound directivity. The main goal of the present study can be divided into two parts. The first is dedicated to develop an analytical tool regarding fan noise attenuation by the acoustic liner in terms of in-duct propagation and far-field radiation. In other words, it relates to the development of a prediction tool to design intake nacelles with acoustic liner in the presence of realistic flow for the conceptual design phase. The second part is to compare the effect of liner attenuation in the far-field for different boundary conditions representing the liners, involving uniform and non-uniform mean flows. In this case, Ingard-Myers and Brambley boundary conditions, as well as the Pridmore-Brown solution, are used to estimate the liner attenuation effects in the presence of a boundary layer with a given thickness. For radiated sound, the Rayleigh, Kirchhoff, and Wiener-Hopf formulations for near- and far-field were implemented. The study was conducted considering typical geometry and operating conditions of modern turbofan engines. For uniform flow cases, a reference solution was obtained from a finite element method code and used to validate the analytical models, which are based on the mode-matching technique and analytic radiation model. In-duct results in terms of the power transmission and modal decay rate along the duct suggested that the influence of the boundary layer thickness can lead to a significant reduction in intake liner attenuation. Besides, the interaction between refractive effects and liner resistance and reactance can be complex, where the boundary layer effect strongly depends on the liner impedance, and the two cannot be separated. On the other hand, the transmitted modes were coupled to an analytic radiation model for the entire solution. Moreover, the results suggested that modal scattering produced by liner discontinuities results in a complex behavior (in terms of the redistribution of the acoustic energy onto cut-on modes) in terms of noise radiation. By integrating the analytical approaches, it is possible to obtain a fast and straightforward engineering tool for investigating directly how the liner impedance quantities influence the fan noise in propagation and radiation modeling.