Investigação numérica de técnicas de redução de ruído para o caso de cilindros em tandem

Abstract

Nos últimos anos, têm-se aumentado as investigações nos métodos de mitigação de ruído devido a exigências de legislações governamentais, empresas aéreas e população. Dentre as principais fontes de ruído aeronáutico, destaca-se o ruído gerado pela interação do escoamento de ar com suas estruturas, denominado ruído de airframe. Neste sentido, os fenômenos de geração de ruído pelo escoamento ao redor de cilindros em tandem estão associados a componentes desse tipo de ruído, especialmente o trem de pouso, e uma forma de investigar esse fenômeno é por meio de simulação numérica. Este estudo aborda a área de aeroacústica computacional e tem como objetivo investigar o ruído gerado pela geração de vórtices em cilindros em tandem por meio de simulações usando o código aberto OpenFOAM. Inicialmente, foram realizadas simulações numéricas para um caso de referência de escoamento ao redor de um modelo de cilindro em tandem, usando o modelo de turbulência RANS k − ω SST para reduzir o tempo de processamento computacional. Estudos preliminares de sensibilidade de malha consideraram os efeitos do refinamento de malha na direção longitudinal nos resultados do campo aeroacústico, bem como a adoção de malhas híbridas que combinam elementos estruturados e não estruturados. Além disso, foi investigado o impacto do uso de outros solvers e esquemas numéricos no desempenho computacional. Após avaliar o efeito da topologia da malha, a interação dos vórtices do cilindro a montante com a superfície do cilindro a jusante e os efeitos da adição de placas divisórias (splitter plates) foram estudados, usando analogias de Curle e Ffowcs Williams-Hawkings. Os resultados mostraram que o refinamento de malha longitudinal fornece precisão para os resultados numéricos e que a adoção de uma malha híbrida não afeta os resultados acústicos, enquanto reduz significativamente o tempo de processamento. Além disso, os resultados mostraram boa concordância com dados experimentais disponíveis na literatura, tanto para o campo aerodinâmico quanto para o acústico. A adição de splitter plates foi capaz de reduzir significativamente o ruído em campo distante, atenuando picos harmônicos espectrais em até 60 dB/Hz, através de um mecanismo que reduziu a geração de vórtices no cilindro a montante, que incidem na superfície do cilindro a jusante, reduzindo também o seu coeficiente de arrasto.

In recent years, investigations into noise mitigation methods have been increasing due to government regulations, airlines’ requirements, and public demands. Among the main sources of aircraft noise, the noise generated by the interaction of the airflow with the aircraft structures, known as airframe noise, stands out. In this context, the phenomena of noise generation caused by the flow around tandem cylinders are associated with components of this type of noise, particularly landing gear noise. Numerical simulation is a way to investigate this phenomenon. This study focuses on the field of computational aeroacoustics and aims to investigate the noise generated by vortex shedding around tandem cylinders through simulations using the open-source code OpenFOAM. Initially, numerical simulations were conducted for a reference case of flow around a tandem cylinder model using the RANS turbulence model k − ω SST to reduce computational processing time. Preliminary mesh sensitivity studies considered the effects of longitudinal mesh refinement on the aeroacoustic field results, as well as the adoption of hybrid meshes that combine structured and unstructured elements. Furthermore, the impact of using different solvers and numerical schemes on computational performance was investigated. After evaluating the mesh topology effect, the interaction of upstream cylinder vortices with the downstream cylinder surface, and the effects of adding splitter plates were studied using Curle and Ffowcs WilliamsHawkings analogies. The results showed that longitudinal mesh refinement provides accuracy in the numerical results and that the adoption of a hybrid mesh does not affect the acoustic results while significantly reducing processing time. Additionally, the results showed good agreement with available experimental data in the literature for both the aerodynamic and acoustic fields. The addition of splitter plates was able to significantly reduce far-field noise, attenuating spectral harmonic peaks by up to 60 dB/Hz, through a mechanism that reduced vortex shedding from the upstream cylinder, which impinges on the downstream cylinder surface, also reducing its drag coefficient.