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Title: Numerical study of jet-flap interaction noise and a procedure for designing thrust gates
Other Titles: Estudio numérico de ruido de interacción jet-flap y un procedimiento de diseño de compuertas de empuje
OCDE field: https://purl.org/pe-repo/ocde/ford#2.00.00; https://purl.org/pe-repo/ocde/ford#2.03.01
Issue Date: 2021
Institution: Universidade Federal de Santa Catarina
Abstract: El ruido de interacción jet-flap (JFI) es causado por la proximidad de motores turbofan con las superficies de sustentación, ocurriendo principalmente durante el despegue y el aterrizaje. Debido al aumento del tamaño de sus dimensiones en la próxima generación de aeronaves, los motores turbofan tienden a estar aún más cerca del ala para mantener la distancia del suelo. Además, la necesidad de reducir el nivel de ruido percibido en 65% para 2050, hace que estudios sobre ruido JFI y estrategias para su mitigación sean necesarios. En este contexto, el uso de compuertas de empuje en los flaps puede ser una de las alternativas para la reducción del ruido. La presente investigación tiene como objetivo estudiar los efectos del ruido JFI y su mitigación mediante el uso de compuertas de empuje rectangulares y cóncavas dimensionadas utilizando un criterio cuantitativo. Para lograr este objetivo, el método Lattice Boltzmann (LBM) fue adoptado para simulaciones de grandes escalas (VLES) con números de Mach 0.5 y 0.7 en modelos simplificados de ala-flap e inclinaciones de ángulo de flap de 7°, 15° y 30°. Inicialmente, se realizó un estudio de convergencia de malla computacional para un jet libre y dos jets instalados (con y sin puerta de empuje), considerando el número de Mach 0.7, utilizando el índice de convergencia (GCI) para parámetros de velocidad y campo acústico. Posteriormente, se realizó la validación del modelo computacional a través de resultados numéricos con datos de pruebas experimentales. Los resultados numéricos del ruido debido a la interacción jet-flap (JFI) mostraron la presencia de directividad, interferencia destructiva, amplificaciones y bloqueo de ruido, así como presencia de tonos acústicos. En términos generales, los resultados también mostraron que la inclinación del flap intensifica estos efectos. Para mitigarlo, un criterio cuantitativo fue propuesto para dimensionar puertas de empuje rectangulares y cóncavas en función de la carga de presión debido al flujo sobre la superficie del flap considerando números de Mach 0.5 y 0.7 e inclinaciones de flap de 7° y 30°. Aunque se ha demostrado que el criterio es más eficaz para puertas de empuje rectangulares, se lograron reducciones significativas de ruido incluso con compuertas de empuje cóncavas. En una evaluación general, el método numérico LBM-VLES resultó ser adecuado para predecir el ruido de jets libres e instalados con y sin compuerta de empuje, así como para el análisis de su atenuación mediante compuertas de empuje.

Jet-Flap Interaction (JFI) noise is caused by the proximity of the turbofan engine to airframe surfaces, occurring mainly at take-off and landing. Due to the increase in the size of turbofan engines for the next generation of aircraft, their proximity to the wing tends to increase, in order to maintain a minimum ground clearance. This, associated with the need to reduce the perceived noise by 65% for 2050, makes necessary studies on the JFI noise and strategies for its mitigation necessary. In this context, geometric modifications of the flap, known as thrust gates could be an alternative. In accordance with the industry needs, the present investigation aims to study JFI noise and its mitigation by fitted rectangular and concave thrust gates based on a quantitative criterion. To accomplish the objective, numerical simulations based on the Lattice Boltzmann Method (LBM), coupled with the Very Large Eddy Simulation (VLES) approach under subsonic conditions and using simplified wing-flap models were performed for Mach numbers 0.5 and 0.7 and flap angle inclinations 7°, 15° and 30°. Initially, a spatial grid independence study for a free jet and two installed jets (with and without thrust gate), considering Mach number 0.7 was conducted. A converged grid supported by a Grid Convergence Index (GCI) analysis for y+, boundary layer at the nozzle exit and OASPL was obtained. Then, considering the converged grid, the numerical model validation was performed, comparing the numerical results with measurements. The numerical results concerning the noise resulting from the JFI presented noise directivity, destructive interference, amplification and shielding, and presence of tones. In general terms, these effects were observed to be stronger with the presence of the flap and its deflection angle. In this sense, it was proposed a criterion for fitting rectangular and concave thrust gates based on mean gauge pressure computed at the bottom side of the flap considering Mach number 0.5 and 0.7 combined with flap angle inclinations 7° and 30°. Despite the criterion had shown to be more effective for rectangular thrust gates, important noise reductions were achieved using the concave ones. In a general assessment, the numerical method LBM-VLES proved to be quite efficient to predict the noise caused by the free and installed jets with and without thrust gates, as well as for the exhaustive analyses concerning JFI noise and its mitigation by fitted thrust gates developed in this work.
Note: Descargue el texto completo en el repositorio institucional de la Universidade Federal de Santa Catarina: https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/221310
Discipline: Ingeniería Mecánica con mención en Ingeniería y Ciencias Térmicas
Grade or title grantor: Universidade Federal de Santa Catarina. Centro Tecnológico
Grade or title: Maestro en Ingeniería Mecánica con mención en Ingeniería y Ciencias Térmicas
Juror: Roberto Wolf, William; Silva, Andrey Ricardo da
Register date: 26-Jul-2021

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