Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2013. / Made available in DSpace on 2014-08-06T17:45:29Z (GMT). No. of bitstreams: 1 325922.pdf: 4966102 bytes, checksum: b8d8385a1d9cc8a3c7c03ab0f03d86d6 (MD5) Previous issue date: 2013 / A presente dissertação analisa os efeitos de bocal serrilhado no desenvolvimento de um jato turbulento em baixo número de Mach. Uma bancada experimental foi desenvolvida para medições da velocidade do escoamento através de anemometria de fio-quente. A primeira etapa do estudo se concentrou na caracterização da região de auto-similaridade (x/D>30) de um jato circular com número de Mach 0,14 e número de Reynolds 3,9x104, gerado por um bocal sem serrilha de 12,3 mm de diâmetro, com o objetivo de validar as medições através de comparações com dados da literatura. O padrão universal do espectro de energia cinética turbulenta unidimensional E11(k1) foi demonstrado para as diferentes posições radiais medidas em x/D=44 e a subfaixa inercial do espectro foi claramente identificada. A segunda etapa da investigação avaliou o efeito de um bocal serrilhado no desenvolvimento do jato, buscando também verificar os mecanismos de redução de ruído geralmente atribuídos a este tipo de geometria. Perfis de velocidade média e intensidade da turbulência foram obtidos para o bocal serrilhado e comparados com aqueles do bocal sem serrilhas em várias posições do escoamento. Os resultados evidenciaram o aumento do espalhamento do jato e do nível de intensidade da turbulência para o bocal com serrilhas, ocasionando a redução no comprimento do núcleo potencial de 4,2D do bocal padrão para 3,6D na geometria modificada. Espectros unidimensionais de energia cinética turbulenta e coeficientes de auto-correlação temporal foram também obtidos para ambos os bocais e permitiram observar a alteração das escalas de comprimento do escoamento turbulento.<br> / Abstract : This dissertation examines the effects of chevron nozzles in the development of a single-stream, subsonic, cold jet. An experimental setup was developed to allow measurements of velocity using hot-wire anemometry. The first part of the study is focused on the characteristics of the self-similarity region (x/D>30) of a circular jet with 12.3 mm diameter, Mach number 0.14 and Reynolds number 3.9x104, in order to validate the measurements via comparisons with data in the literature. The universal spectrum for the one-dimensional turbulent kinetic energy E11 (k1) was demonstrated for different radial positions measured at x/D = 44 and the spectrum inertial subrange was clearly identified. The second part of the investigation was focused on the effect of a chevron nozzle in the jet development and on mechanisms that are generally associated with noise suppression. Profiles of mean velocity and turbulent intensity were obtained for the nozzles with and without chevrons. The results showed an increase in the jet spreading and in the turbulent intensity level brought about by the chevron nozzle, which gives rise to a reduction in the potential core length from 4.2D in the baseline nozzle to 3.6D in the chevron nozzle. Results for one-dimensional spectra of turbulent kinetic energy and one-point temporal autocorrelation coefficients were also obtained for both nozzles and allowed an analysis of modifications in the turbulent length scales.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2015 / Made available in DSpace on 2016-03-15T04:02:12Z (GMT). No. of bitstreams: 1 336502.pdf: 4613273 bytes, checksum: 02a43770f6825cdc155f3ab0706e6b95 (MD5) Previous issue date: 2015 / O jato turbulento na exaustão de motores é uma das principaisfontes de ruído em aviões. Este é um tema de pesquisa emaeroacústica em que os mecanismos de geração de ruído não sãocompletamente compreendidos. Alguns dispositivos de reduçãode ruído têm sido propostos e aplicados em motores de aviões,tais como tabs e chevrons. O presente trabalho se concentra naanálise comparativa entre os escoamentos turbulentos de jatossubsônicos gerados por bocais com e sem chevrons, através datécnica de anemometria de fio quente. O principal objetivo foicompreender o efeito do chevron no campo de escoamento do jatoe os mecanismos de redução de ruído atribuídos a estes bocais.Os resultados mostraram um aumento da intensidade turbulentaaxial na região inicial do jato (x/D < 2) com chevrons e umadiminuição desses níveis na região subsequente. O bocal comchevrons também provocou um maior espalhamento do jato e umacamada cisalhante mais espessa. Os espectros de potência daturbulência evidenciaram a existência de estruturas coerentes nojato, indicando que os chevrons afetam os níveis de energia dessasestruturas, principalmente para número de Strouhal igual a 0,3. <br> / Abstract : The turbulent jet issuing from engine exhaustion is one of themain sources of noise in an aircraft. This is a topic in the researchfield of aeroacoustics in which the sound generation mechanismsare not yet fully understood. However, some noise reductiondevices have been developed and applied in aircrafts, such as tabsand chevrons. The present work addresses a comparison betweenthe flow fields generated by nozzles with and without chevronsthrough hot-wire anemometry. The main goal was to understandthe chevron effect on the flow field and the noise reductionmechanisms attributed to such nozzles. The results have shown anincrease in axial turbulent intensity generated by the chevron in theinitial region of the jet (x/D<2) and a decrease in turbulent intensitylevels in the subsequent region. The chevron nozzle also increasedthe spreading of the jet and generated a thicker shear layer. Thepower spectral density showed the existence of coherent structuresin the jet and the chevron was found to affect the energy peaksassociated to these structures, specially at Strouhal number 0.3.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2013. / Made available in DSpace on 2014-08-06T17:19:59Z (GMT). No. of bitstreams: 1 322918.pdf: 14214719 bytes, checksum: caa81c98d6c6c0ca117f44d5bf4e9990 (MD5) Previous issue date: 2013 / Nesta dissertação são avaliados métodos que utilizam a solução numérica das equações de Reynolds para a previsão do ruído de jatos. As condições de escoamento são caracterizadas por número de Reynolds em torno de 106, números de Mach entre 0.50 e 1.00, jatos isotérmicos e aquecidos, originados por bocais circulares simples e coaxiais com e sem serrilhas. A previsão do ruído de jatos pode ser dividida em duas etapas: o cálculo da intensidade das fontes sonoras e a avaliação dos efeitos de refração sonora. Quatro métodos para cálculo da intensidade das fontes sonoras encontrados na literatura são implementados para fins de comparação, dois baseados na Equação de Lighthill e dois a partir das Equaçõoes Linearizadas de Euler. De forma geral, os resultados dos métodos baseados nas duas formulações apresentam boa concordância com dados experimentais, mas os métodos baseados na Equação de Lighthill possuem uma formulação mais simples e necessitam de um menor número de constantes empíricas. A técnica de traçado de raios é utilizada para avaliar a refração das ondas de pressão acústica emitidas por fontes do tipo monopolo localizadas em diferentes posições do jato. Três aspectos relacionados à refração são estudados em detalhes: (i) a dependência da zona de silêncio com a posição da fonte, (ii) a importância de gradientes de velocidade do som em jatos aquecidos, e (iii) a assimetria originada por bocais serrilhados. Devido à acurácia e ao baixo custo computacional, conclui-se que os métodos estudados são alternativas viáveis para a análise do ruído de jatos.<br> / Abstract : In this dissertation methods based on the numerical solution of theReynolds-averaged Navier?Stokes equations are evaluated to predictjet noise. The flow conditions include Reynolds number around 106and Mach number in the 0.50?1.00 range, isothermal or heated fluidstreams, single- and dual-stream circular nozzles with or without chevrons.The prediction of jet noise can be split in two components: theevaluation of the strength of sound sources and the evaluation of thee?ects of sound refraction. Four methods available in the literature areimplemented to evaluate the source strength; two based on the LighthillEquation and two based on the Linearized Euler Equations. It is foundthat both frameworks allow predictions of noise spectra in reasonableagreement with experimental data. However, the methods based onthe Lighthill Equation o?er a more straightforward formulation andneed less empirical constants. A ray tracing method is also adopted tostudy the e?ects of refraction on acoustic pressure waves emitted frommonopole sources in several positions within the jet. Three aspectsof refraction are studied in detail: (i) the dependence of the zone ofsilence regarding the source position, (ii) the significance of sound speedgradients in heated jets, and (iii) the asymmetry created by chevronnozzles. Given the reasonable accuracy and low computational cost ofthe studied methods, the so-called RANS-based methods are considereda viable approach to predict jet noise.