High-fidelity numerical simulations of acoustic liners under grazing flow

Abstract

Liners acústicos são soluções amplamente exigidas para redução eficaz de ruído em motores aeronáuticos modernos do tipo turbofan. A caracterização dos liners é normalmente realizada por meio de sua impedância acústica, em bancadas para testes de liners com indução de escoamento de ar tangencial à amostra. O escoamento tangencial de ar influencia significativamente os mecanismos de dissipação de energia acústica dos forros. Diferentes técnicas de medição da impedância podem ser aplicadas em bancadas de testes, sendo que algumas (denominadas técnicas de redução) representam o forro como uma condição de contorno localmente reativa. As publicações anteriores exibiram uma dependência aparente da impedância eduzida em relação à direção de extensão relativa entre a onda sonora e o escoamento tangencial, o que viola a hipótese localmente reativa. Embora esta violação tenha sido atribuída a uma falha da condição de contorno utilizada, um comportamento semelhante foi observado em observações realizadas com outra técnica, que não empregou nenhuma condição de contorno. Isto sugere que os mecanismos reativos e dissipativos dos liners nem sempre são independentes da direção de propagação da onda sonora, e questiona a possibilidade localmente reativa. Além disso, questiona-se a representatividade da física de dissipação do liner nos modelos existentes. Na tentativa de contribuir ao conhecimento sobre a interação entre escoamento e perturbação sonora e sobre o comportamento não linear dos forros, este trabalho desenvolve um modelo de simulação de alta fidelidade para forros acústicos na presença de um escoamento tangencial turbulento, através da abordagem de simulações de grandes escalas. Para tanto, um solucionador comercial do método de rede Boltzmann é utilizado para modelar explicitamente liners tridimensionais de múltiplas cadeias, no domínio do tempo. A impedância acústica é medida com diferentes técnicas (a técnica in-situ, o método da proteção modal e o algoritmo de Kumaresan-Tufts), na ausência e na presença de escoamento tangencial subsônico, considerando diferentes frequências, níveis de pressão sonora e posições da fonte acústica. Os resultados das simulações são comparados com dados experimentais e com predições de um modelo semiempírico, e apresentam concordância razoável na ausência de escoamento. Na presença de escoamento, o modelo de captura numérico o aumento da resistência específica deste cenário, embora superestime consideravelmente os dados de referência. A convergência dos resultados numéricos em relação ao refino da malha sugere que uma melhor discretização do modelo pode melhorar sua concordância com os valores de referência. Além disso, a representação adequada da geometria dos espaços da amostra real se mostra fundamental para a reprodução dos resultados experimentais de impedância no modelo. Ainda assim, o modelo de captura de forma garantida às tendências da impedância em função da frequência e pode ser considerado útil para a avaliação da interação entre escoamento e perturbação sonora nas regiões próximas aos locais, onde a dissipação de energia acústica acontece majoritariamente. A análise da velocidade causada pela onda sonora nos abertos sugere que a porcentagem de área aberta é efetiva, onde a oscilação fluidodinâmica acontece em resposta à perturbação acústica, é significativamente reduzida pelo efeito do escoamento tangencial. Além disso, a velocidade acusticamente causada nas ocorrências, diretamente relacionada à impedância do liner, apresenta pouca dependência da direção de propagação acústica em relação ao escoamento.

Abstract: Acoustic liners have become a widely adopted technological solution for effectively reducing noise in modern turbofan engines. The characterization of liners in terms of their impedance is commonly performed in grazing flow testing facilities, as the grazing flow significantly influences the acoustic dissipation mechanisms of the liner. Different impedance measurement techniques can be employed for the characterization of the liner, some of which represent it as a locally-reactive impedance boundary condition, named eduction methods. Several works have shown apparent dependence of the educed impedance on the direction of acoustic propagation relative to the grazing flow, which violates the locally-reactive hypothesis. Although it has been argued that a failure in the boundary conditions is the cause for this dependence, it has also been recently observed with other techniques, which do not consider any boundary condition. This suggests that the liners? reactive and dissipative mechanisms might not always be independent of the wave propagation direction, and questions the locally-reactive hypothesis. Furthermore, it is questionable whether the liner?s physics in the presence of grazing flow is properly captured by existing models. In the attempt to provide insights into the flow-acoustics interaction and non-linear behaviour of liners, this work focuses on the development of a high-fidelity numerical model for acoustic liners in the presence of a turbulent grazing flow, with a very large eddy simulation approach. For this purpose, a commercial lattice Boltzmann solver is employed to model explicitly three-dimensional multi-cavity liners in the time domain. The acoustic impedance is assessed by different techniques (the in-situ technique, the mode matching method and the Prony-like Kumaresan-Tufts algorithm), both in the absence and in the presence of a subsonic grazing flow, considering different frequencies, sound pressure levels and acoustic source positions. The simulation results are compared with experimental data and with predictions from a semiempirical model, and present reasonable agreement for the cases in which the mean flow is absent. When the grazing flow is present, the model is sensitive enough to capture the increase in resistance, although it overestimates considerably the reference data. The convergence trends of the numerical results regarding the grid refinement suggest that increasing the resolution might improve the simulation results in the presence of grazing flow. Moreover, it is fundamental to accurately incorporate the actual geometry of the liner?s orifices into the model in order to achieve good agreement between numerical and experimental results. Nevertheless, the model adequately captures the impedance trends with respect to frequency. As a result, it is a valuable tool for assessing the flow-acoustics interactions in the near-orifice regions, where the main acoustic dissipation takes place. The assessment of the acoustic-induced velocity inside the liner?s orifices reveals that the effective open area, where the oscillating flow movement occurs in response to incident acoustic waves, is drastically reduced by the effect of grazing flow. Furthermore, the acoustic-induced velocity profiles inside the orifices, which are directly related to the liner?s impedance, show little dependence on the direction of propagation of the acoustic waves relative to the grazing flow.