Análise numérica da mitigação de ruído de cilindros em tandem utilizando splitter plates duplas

Abstract

O ruído relacionado à operação de aeronaves em regiões aeroportuárias, ou em voo é objeto de estudo há décadas, tendo em vista as restrições incrementalmente mais rígidas impostas por órgãos regulamentadores referentes a tais níveis de ruído, bem como as exigências de passageiros por mais conforto de cabine durante o voo. Em virtude disso, faz-se necessário propor e investigar métodos de mitigação de ruído que proporcionem aeronaves mais silenciosas. Durante a fase de voo de aproximação e pouso, o ruído de airframe é um dos principais componentes do ruído total emitido pela aeronave. Dentro deste contexto, neste trabalho primeiramente foi feita uma análise de um modelo numérico para previsão de ruído oriundo do escoamento em torno de cilindros em tandem, um caso extensivamente estudado no campo de aeroacústica. Em seguida investigou-se o efeito no campo acústico da adição de splitter plates duplas no cilindro à montante como mecanismo de mitigação de ruído. Para tanto foram realizadas simulações numéricas do campo aerodinâmico por meio do software livre OpenFOAM, em conjunto com a biblioteca libAcoustics, através da qual as estimativas de níveis de pressão sonora foram calculadas utilizando as analogias de Curle, Ffowcs Williams-Hawkings nas formulações GT e 1A de Farassat. Testes de convergência de malha foram conduzidos a fim de avaliar a sensibilidade ao refino. Também foi analisada a influência de condições de contorno periódicas nas faces que limitam o domínio computacional nos planos perpendiculares aos cilindros. Notou-se uma boa concordância do modelo numérico de validação nos campos aerodinâmico e acústico quando comparado com resultados experimentais obtidos por outros pesquisadores. Também verificou-se uma redução nos picos de nível de pressão sonora devido à adição de splitter plates, bem como nos coeficientes de arrasto médio.

Noise related to the operation of aircraft in airport areas or in flight has been the subject of study for decades, given the increasingly strict restrictions imposed by regulatory bodies on such noise levels, as well as passengers' demands for more cabin comfort during flight. As a result, it is necessary to propose and investigate noise mitigation methods that provide quieter aircraft. During the approach and landing phases of flight, airframe noise is one of the main components of the total noise emitted by an aircraft. Within this context, this work first analyzed a numerical model for predicting noise from the flow around tandem cylinders, a case that has been extensively studied in the field of aeroacoustics. It is then investigated the effect on the acoustic field of adding double splitter plates to the upstream cylinder as a noise mitigation mechanism. To this end, numerical simulations of the aerodynamic field were carried out using the free OpenFOAM software, along with the libAcoustics library, through which sound pressure level estimates were calculated using the Curle and Ffowcs Williams-Hawkings analogies in the GT and 1A formulations. Mesh convergence tests were carried out in order to assess sensitivity to mesh refinement. The influence of periodic boundary conditions on the faces that limit the computational domain in the planes perpendicular to the cylinders was also analyzed. The numerical validation model was found to be in good agreement in the aerodynamic and acoustic fields when compared with experimental results obtained by other researchers. There was also a reduction in peak sound pressure levels due to the addition of splitter plates, as well as in the average drag coefficients.