O presente trabalho refere-se a um estudo aeroacústico experimental visando caracterizar o ruído de eslate sob a presença de excrescências instaladas no interior de sua cova, e em ângulos de ataque extremos (entre -4 e 18 [º]). O eslate é um dispositivo hipersustentador posicionado no bordo de ataque do perfil aerodinâmico que objetiva a operação da aeronave em voo com uma menor velocidade. Desta maneira, é proporcionado um maior ângulo de estol e consequente maior sustentação, permitindo que os procedimentos de pouso e decolagem sejam mais seguros e que uma pista menor para ambas as operações possa ser utilizada, por exemplo. Este estudo contempla um modelo de perfil MDA 30P30N, com as excrescências no formato de selos de seção transversal bidimensional, circular e quadrada, presentes em diferentes posições na cova do eslate e ao longo de toda a sua envergadura. Foram compreendidos diferentes ângulos de ataque do modelo e velocidades de escoamento livre. O trabalho experimental utilizou-se de um túnel de vento de seção de testes e circuito fechados da USP-EESC, o modelo MDA 30P30N pré-existente na universidade e equipamentos de medições acústicas (microfones, sistemas de aquisição de dados e etc.), e de pressão (escâneres, manômetros, etc.). O pós-processamento dos dados aeroacústicos adquiridos nos ensaios realizados é uma etapa que objetiva a caracterização do ruído a partir de espectros de frequência e mapas acústicos, para localização e determinação da intensidade das fontes sonoras. Este processo é efetivado com códigos de beamforming implementados pelo grupo de pesquisa contendo o método de deconvolução DAMAS. A técnica de beamforming é um método para localização e estimativa da amplitude de fontes de ruído utilizando medidas realizadas a partir de uma antena de microfones, baseando-se em um modelo matemático que descreve a propagação de ondas acústicas em um meio com propriedades físicas bem definidas. Estes modelos são simplificados em relação à complexidade dos fenômenos de geração e propagação do som. O cálculo basicamente resolve a contribuição relativa das fontes provindas de diferentes direções no campo sonoro de interesse. O método DAMAS almeja compensar a influência das características da antena de microfones empregada para aquisição dos dados do resultado proveniente do cálculo efetuado com a técnica de beamforming convencional, resolvendo um problema de deconvolução. Os espectros de ruído obtidos neste trabalho apresentam o ruído de eslate bem definido em três componentes principais, que são os múltiplos picos tonais de baixa frequência, banda larga e pico tonal de alta frequência. Para a configuração de referência, sem a presença de selos na cova do eslate, verifica-se que ângulos de ataque extremos, muito baixos ou muito altos, apresentam o espectro de frequências quase que inteiramente como de banda larga e de intensidade muito próxima ao ruído de fundo do túnel. Também há um ângulo de ataque em que a emissão sonora é máxima. Quando há a presença de um selo na cova do eslate, existe um grande impacto em seu espectro acústico. Dependo da posição em que o selo se encontra, este pode atenuar ou intensificar os múltiplos picos tonais de baixa frequência, trocar o pico dominante, suprimir a componente de múltiplos picos, modificar o comportamento da componente da banda larga e ainda amplificar ou reduzir o ruído global do eslate. / The present work refers to an experimental aeroacoustic study aiming to characterize slat noise over the presence of excrescences installed at the interior of its cove, and at very high and very low angles of attack (between -4 e 18 [º]). A slat is a high-lift device located at the leading edge of an airfoil which target to maintain the aircraft in flight at a lower speed by providing a greater stall angle and consequently greater lift coefficient, allowing safer landing and take-off procedures. Therefore, a smaller airport runaway for both operations may be used. This study includes a model of a MDA 30P30N airfoil, with a seal excrescence of two-dimensional cross-section shape, circular or square, positioned at different locations at slat cove throughout the extent of its span. Different models angles of attack and some free-stream velocities were tested. The experimental work employed a closed-section wind tunnel situated at USP-EESC, a preexisting MDA 30P30N model, and acoustic measurement equipments (microphones, data acquisition systems, etc.), and pressure measurement equipments (scanners, pressure gauges, etc.). The data post-processing of aeroacoustics experiments intend to characterize the slat noise due to frequency spectrums and acoustic maps to locate and evaluate the intensity of the noise sources. This process is made with beamforming in-house codes, implemented by the research group, containing a deconvolution method named DAMAS. Beamforming technique is a method to localize and assess noise sources amplitude using measurements from an antenna of microphones, based on a mathematical model that describes the propagation of acoustic waves in a medium with well defined physical properties. Such models are simplified compared to the complexity of the phenomena of generation and propagation of sound. The calculation basically resolves the relative contribution of sources emanating from different directions at the sound field of interest. DAMAS method aim to extract the characteristics of the microphones antenna employed to acquire data, from the result of the calculation performed with conventional beamforming algorithm, solving a deconvolution problem. The noise spectrum obtained at this work shows that the slat noise can be well defined in three main components, which are the multiple tonal peaks of low frequency, broadband and high-frequency tonal peak. For the baseline configuration, without seals at slat cove, it is possible to notice that for extreme angles of attack, very low or very high, the noise spectrum is almost entire of broadband type. Its noise intensity is very near to the background wind tunnel noise. There is an angle of attack which has a maximum sound emission. A seal at MDA 30P30N slat cove has a huge impact on slat noise spectrum. Depending on the seal position, it can mitigate or enhance the multiple low-frequency tonal peaks, change the dominant peak, suppress multiple tonal peaks, modify the behavior of the broadband component and reduce or amplify the overall slat noise.

O presente trabalho refere-se a um estudo aeroacústico experimental visando caracterizar o ruído de eslate sob a presença de excrescências instaladas no interior de sua cova, e em ângulos de ataque extremos (entre -4 e 18 [º]). O eslate é um dispositivo hipersustentador posicionado no bordo de ataque do perfil aerodinâmico que objetiva a operação da aeronave em voo com uma menor velocidade. Desta maneira, é proporcionado um maior ângulo de estol e consequente maior sustentação, permitindo que os procedimentos de pouso e decolagem sejam mais seguros e que uma pista menor para ambas as operações possa ser utilizada, por exemplo. Este estudo contempla um modelo de perfil MDA 30P30N, com as excrescências no formato de selos de seção transversal bidimensional, circular e quadrada, presentes em diferentes posições na cova do eslate e ao longo de toda a sua envergadura. Foram compreendidos diferentes ângulos de ataque do modelo e velocidades de escoamento livre. O trabalho experimental utilizou-se de um túnel de vento de seção de testes e circuito fechados da USP-EESC, o modelo MDA 30P30N pré-existente na universidade e equipamentos de medições acústicas (microfones, sistemas de aquisição de dados e etc.), e de pressão (escâneres, manômetros, etc.). O pós-processamento dos dados aeroacústicos adquiridos nos ensaios realizados é uma etapa que objetiva a caracterização do ruído a partir de espectros de frequência e mapas acústicos, para localização e determinação da intensidade das fontes sonoras. Este processo é efetivado com códigos de beamforming implementados pelo grupo de pesquisa contendo o método de deconvolução DAMAS. A técnica de beamforming é um método para localização e estimativa da amplitude de fontes de ruído utilizando medidas realizadas a partir de uma antena de microfones, baseando-se em um modelo matemático que descreve a propagação de ondas acústicas em um meio com propriedades físicas bem definidas. Estes modelos são simplificados em relação à complexidade dos fenômenos de geração e propagação do som. O cálculo basicamente resolve a contribuição relativa das fontes provindas de diferentes direções no campo sonoro de interesse. O método DAMAS almeja compensar a influência das características da antena de microfones empregada para aquisição dos dados do resultado proveniente do cálculo efetuado com a técnica de beamforming convencional, resolvendo um problema de deconvolução. Os espectros de ruído obtidos neste trabalho apresentam o ruído de eslate bem definido em três componentes principais, que são os múltiplos picos tonais de baixa frequência, banda larga e pico tonal de alta frequência. Para a configuração de referência, sem a presença de selos na cova do eslate, verifica-se que ângulos de ataque extremos, muito baixos ou muito altos, apresentam o espectro de frequências quase que inteiramente como de banda larga e de intensidade muito próxima ao ruído de fundo do túnel. Também há um ângulo de ataque em que a emissão sonora é máxima. Quando há a presença de um selo na cova do eslate, existe um grande impacto em seu espectro acústico. Dependo da posição em que o selo se encontra, este pode atenuar ou intensificar os múltiplos picos tonais de baixa frequência, trocar o pico dominante, suprimir a componente de múltiplos picos, modificar o comportamento da componente da banda larga e ainda amplificar ou reduzir o ruído global do eslate. / The present work refers to an experimental aeroacoustic study aiming to characterize slat noise over the presence of excrescences installed at the interior of its cove, and at very high and very low angles of attack (between -4 e 18 [º]). A slat is a high-lift device located at the leading edge of an airfoil which target to maintain the aircraft in flight at a lower speed by providing a greater stall angle and consequently greater lift coefficient, allowing safer landing and take-off procedures. Therefore, a smaller airport runaway for both operations may be used. This study includes a model of a MDA 30P30N airfoil, with a seal excrescence of two-dimensional cross-section shape, circular or square, positioned at different locations at slat cove throughout the extent of its span. Different models angles of attack and some free-stream velocities were tested. The experimental work employed a closed-section wind tunnel situated at USP-EESC, a preexisting MDA 30P30N model, and acoustic measurement equipments (microphones, data acquisition systems, etc.), and pressure measurement equipments (scanners, pressure gauges, etc.). The data post-processing of aeroacoustics experiments intend to characterize the slat noise due to frequency spectrums and acoustic maps to locate and evaluate the intensity of the noise sources. This process is made with beamforming in-house codes, implemented by the research group, containing a deconvolution method named DAMAS. Beamforming technique is a method to localize and assess noise sources amplitude using measurements from an antenna of microphones, based on a mathematical model that describes the propagation of acoustic waves in a medium with well defined physical properties. Such models are simplified compared to the complexity of the phenomena of generation and propagation of sound. The calculation basically resolves the relative contribution of sources emanating from different directions at the sound field of interest. DAMAS method aim to extract the characteristics of the microphones antenna employed to acquire data, from the result of the calculation performed with conventional beamforming algorithm, solving a deconvolution problem. The noise spectrum obtained at this work shows that the slat noise can be well defined in three main components, which are the multiple tonal peaks of low frequency, broadband and high-frequency tonal peak. For the baseline configuration, without seals at slat cove, it is possible to notice that for extreme angles of attack, very low or very high, the noise spectrum is almost entire of broadband type. Its noise intensity is very near to the background wind tunnel noise. There is an angle of attack which has a maximum sound emission. A seal at MDA 30P30N slat cove has a huge impact on slat noise spectrum. Depending on the seal position, it can mitigate or enhance the multiple low-frequency tonal peaks, change the dominant peak, suppress multiple tonal peaks, modify the behavior of the broadband component and reduce or amplify the overall slat noise.

Esta dissertação apresenta o desenvolvimento e otimização de uma metodologia baseada em código comercial para previsão de ruído em um eslate, além do estudo da dependência do ruído ao variar a camada limite do aerofólio. Com a contínua redução do ruído produzido por motores em aeronaves e as sucessivas restrições nos níveis de certificação, o ruído produzido por dispositivos aerodinâmicos tem ganhado importância no projeto de uma aeronave. Durante o pouso, o ruído gerado pelos dispositivos hiper-sustentadores é classificado dentre os mais relevantes, sendo o eslate um de seus componentes. Este trabalho busca criar e otimizar uma metodologia baseada no código PowerFLOW, assim como estudar a influência das camadas limite do aerofólio na geração de ruído. Tal código é baseado na formulação de Lattice- Boltzmann. As fontes acústicas simuladas são propagadas utilizando uma analogia acústica de Ffowcs-Williams e Hawkings e, então, analisadas utilizando métodos estatísticos de análise de sinais. Estudos de validação e verificação do código baseados em soluções analíticas são apresentados, tais como uma camada de mistura periódica no espaço e a solução dos vórtices de Taylor-Green. A seguir, o aerofólio 30P30N é utilizado em todo o estudo relacionado a eslates, analisando primeiramente a independência da solução em relação ao nível de refinamento da malha e do tamanho do domínio empregados. Baseado nas recomendações de tal estudo, o resultado é comparado com simulações disponíveis na literatura. Com uma maior confiança na metodologia, o trabalho então apresenta estudos variando a camada limite em regiões do eslate, assim como removendo-a completamente em certas regiões do aerofólio ao empregar condições de contorno de livre-escorregamento. O trabalho mostra que a influência das camadas limite do aerofólio é desprezível em relação ao erro do método. Isso é causado pela aparente independência do ruído do eslate em relação ao escoamento perto de sua cúspide. Tal independência permite que a malha computacional seja otimizada, reduzindo o custo da simulação em até 60%. / This dissertation presents the development and optimization of a methodology based on a commercial software to predict slat noise, also studying noise dependency when varying airfoil boundary layers. Due to continuous reduction on aircraft engine noise and successive restrictions on noise certification levels, airframe noise has been gaining importance on aircraft design. During landing, high-lift noise is ranked as one of the most relevant ones, being slat noise one of its components. This work focuses on creating and optimizing a noise prediction methodology based on the software PowerFLOW, and also on studying the influence of airfoil boundary layers on noise generation. Such software is based on Lattice-Boltzmann formulation. The simulated sound sources are propagated using Ffowcs-Williams and Hawkings acoustic analogy and then analyzed by signal analysis methods. Code validation and verification studies based on analytical solutions are presented, such as the spacially-periodic mixing layer and the Taylor-Green vortices solutions. Following, the 30P30N airfoil is employed through the rest of this work, firstly studying the solution independency related to mesh refinement level and computational domain size. Based on recommendations from this study, the results are compared to simulations from the literature. With higher confidence levels on this methodology, the work then presents studies varying the slat boundary layer and also removing it completely by employing free-slip boundary conditions on certain airfoil regions. This work presents that the airfoil boundary layer influence is neglectable when compared to the method error. This is caused by the apparent slat noise independency related to the flowfield near the slat cusp. Such independency allows the computational mesh to be optimized, reducing the simulation cost by up to 60%.

Com o desenvolvimento para aeronaves de propulsores turbo-fan com elevada razão de derivação, componentes da estrutura do avião passaram a ter relevância na geração de ruído aerodinâmico, principalmente durante a aproximação e o pouso. Dentre esses componentes, o eslate se destaca por ser uma fonte que se estende ao longo de praticamente toda a envergadura da asa. Neste trabalho, simulações numéricas foram feitas no intuito de considerar configurações práticas nas análises do ruído aeroacústico gerado pelo eslate. Um código comercial baseado no Método Lattice-Boltzmann foi usado no cálculo do escoamento transiente em torno do aerofólio MD30P30N. O domínio computacional simulado imitou a configuração geométrica de um túnel de vento. Foi levado em consideração o efeito da presença de duas formas de excrescência que são comuns na cova do eslate de aeronaves comerciais. Uma delas foi um selo que fica posicionado na parede da cova e a outra, um tubo do sistema anti-gelo. Tanto o escoamento transiente na região da cova quanto as características do ruído aeroacústico propagado para o campo distante foram analisados. Uma metodologia que impõe condição de parede com escorregamento livre no es- late e elemento principal, permitindo assim uma redução do custo computacional, foi usada. A abordagem foi ainda testada para a condição de um aerofólio submetido a escoamento cruzado, simulando uma asa infinita com enflechamento. Também uma modificação na metodologia, para que ela possa ser empregada em aerofólios com elevados ângulos de ataque, foi proposta e testada. O código híbrido MSES foi usado para o cálculo da espessura de deslocamento na camada limite do aerofólio. A modificação na geometria baseada em \'delta\'* causou uma melhora da solução aeroacústica de uma simulação empregando paredes com escorregamento livre, tomando como base de comparação a solução com paredes sem escorregamento. Simulações com selo dentro da cova, perto do recolamento, mostraram que, em certas circunstâncias, há um bloqueio dos vórtices da camada de mistura, intensificando picos tonais no espectro do ruído. A variação da posição do selo mostrou um efeito significativo no ruído do eslate, de forma que um selo suficientemente afastado do recolamento modificou o espectro do ruído do eslate. Os resultados com o aerofólio enflechado indicam que, também neste caso, o ruído do eslate não depende diretamente da camada limite na cúspide, mas da circulação do aerofólio. Por sua vez, a presença do tubo na cova aumenta significativamente a intensidade do ruído de banda larga produzido pelo eslate. Em uma asa sem enflechamento, o tubo causa também um aumento substancial na intensidade de picos tonais de baixa frequência. / The development of high by-pass ratio turbo-fan engine turned the airframe noise into an important component in a commercial airplanes\' noise characteristics. Between the airframe noise sources the slat can be highlighted as it extends almost along the whole wing span. Numerical simulation was carried out in order to consider practical configuration in the aeroacoutic noise generated by the slat. The effects of two different excrescences, which are normally present in commercial airplanes\' slat cove, were taken into account. One of them was a seal attached to the cove wall and the outher one was a tube that compose the anti-icing system. Both unsteady flow in cove region and far-field noise characteristics were analysed. A methodology that impose free-slip wall boundary condition on slat and main element surfaces was employed, which allowed the reduction of computational requirements. This approach was also tested for airfoil with crossflow, which simulates an infinite swept wing. Also a modification of the methodology was proposed and tested to extend its application in high-lift airfoils under higher angle of attack. A commercial code based on the Lattice-Boltzmann Method was used to compute the unsteady flow over the MD30P30N airfoil. The simulated computational domain imitates the geometry of a wind tunnel. The hybrid Euler/IBL code MSES was employed to calculate the displacement thickness of the airfoil\'s boundary layers. The geometry modification based on \'delta\'* caused a improvement on the aeroacoustic solution of a free-slip simulation, the no-slip simulation results being taken as reference. Simulations of geometries with relatively small seal close to the reattachment point showed that a blockage of the mixing layer vortices hapens and tonal peaks are intensified in the far-field noise spectrum. The variation of the seal position showed a significant effect on the slat noise, so that a seal farther from the reattachment modified affected both the shape and intensity of the noise spectrum. Results with the swept airfoil indicates that, even in the presence of crossflow, the slat noise does not depend on the cusp boundary layer, namely it is more sensitive to the airfoil circulation. The tube crossing the slat cove augmented significantly the broadband noise generated by the slat. In an unswept wing it also caused a substantial increase in the low-frequency tonal peaks.

A redução do ruído externo gerado por aeronaves operando nas proximidades de grandes centros urbanos é apontada como uma questão vital para a manutenção e expansão sustentável das atividades da aviação civil. Nas últimas décadas, reduções significativas no ruído gerado pelos sistemas de propulsão da aeronave tornaram relevantes as contribuições do trem de pouso e dos dispositivos de hiper-sustentação (flapes e eslates) para o ruído global da aeronave. A caracterização do espectro acústico de cada componente hiper-sustentador é necessária para o desenvolvimento de métodos preditivos de ruído e projetos aerodinâmicos que viabilizem a redução de ruído sem penalizações severas para o desempenho e a segurança da aeronave. Experimentos com modelos em escalas mostram que a contribuição de cada elemento hiper-sustentador para o ruído global é determinada pelo tamanho e modelo da aeronave. Tal fato dificulta a generalização dos resultados experimentais e determina a caracterização do espectro acústico de cada componente de um aerofólio em termos de sua geometria e configuração operacional. Este trabalho tem como objetivo principal a caracterização do ruído do eslate a partir de medições experimentais com um aerofólio hiper-sustentador McDonnell Douglas (30P30N), composto por flape, eslate e elemento principal. Os experimentos foram realizados em túnel de vento de seção fechada, e as medições acústicas contaram com o uso de uma antena composta por 62 microfones. Os dados acústicos foram processados com algoritmos de beam-forming convencional e deconvolução DAMAS (Deconvolution Approach for the Mapping of Acoustic Sources). A aplicação de técnicas de beam-forming permite representar uma distribuição espacial de fontes na forma de um mapa acústico e determinar o nível de ruído gerado por fontes que concorrem de forma independente para o ruído global. A base de dados experimentais permite o estudo do ruído do eslate sob diferentes configurações operacionais e geométricas do aerofólio. A análise do espectro acústico do eslate revela a ocorrência de ruído tonal em baixa e alta frequências, e ruído de banda larga em média frequência. Os mapas de beam-forming obtidos associam o ruído de banda larga com uma distribuição bidimensional de fontes ao longo da envergadura do eslate. O ruído do eslate aumenta com a velocidade de escoamento livre, enquanto que os picos tonais de baixa frequência e o ruído de banda larga decrescem com o aumento do ângulo de ataque do aerofólio de 2° para 10°. Os espectros de ruído do eslate colapsam quando reescalados pelo número de Mach do escoamento livre elevado a uma potência entre 4 e 5, e o ruído tonal colapsa em Strouhal dado pela corda do eslate e pela velocidade do escoamento base. Os resultados mostram que o ruído do eslate é fortemente dependente da geometria do aerofólio, particularmente para variações de overlap. Uma boa correspondência quantitativa foi obtida comparando-se espectros experimentais de ruído do eslate com espectros numéricos, obtidos a partir de um modelo com a mesma geometria e em condições de teste idênticas, o que indica a viabilidade do uso de túneis de vento de secção fechada para a realização de experimentos aeroacústicos. / The reduction in the noise produced by aircraft operating in the vicinity of large urban centers is an important issue for a sustainable growth in the civil aviation activities. Over the last decades, from a signicant reduction achieved in the noise generated by aircraft propulsion systems, the contribution of both landing gears and high-lift devices (flaps and slats) has become important to the aircraft overall noise. The identication of the noise signature of each high-lift component is required for the development of both noise prediction methods and new aerodynamic design concepts toward achieving a noise reduction without severe penalty over the aircraft performance and safety. Scaled model experiments have shown that the importance of each airframe component to the overall noise is determined by particularities in both aircraft geometry and size. Such noise model dependence hampers the generalization of experimental results from a reference testing model and leads to the necessity of assessing noise generation according to the testing model geometry and operational condition. This study focuses mainly on the characterization of slat noise from experimental measurements on a high-lift Mcdonnell Douglas (30P30N) airfoil, composed of a slat, a ap and a main element. Measurements were performed in a closed-section wind tunnel by a 62-microphone array and the acoustic data were processed with in-house codes based on conventional beam-forming and DAMAS (Deconvolution Approach for theMapping of Acoustic Sources) algorithms. Beam-forming techniques potentially enable the representation of a spatial source distribution as an acoustic map, from which the contribution of independent sources to the overall noise can be estimated. The experimental database enables the study of the slat noise from dierent airfoil operational conditions and geometrical settings. The slat noise spectral signature reveals the occurrence of tonal noise over both low- and high-frequency bands and also broadband noise over a mid-frequency range. Beam-forming maps indicate the slat broad-band noise originates from a source spatially distributed along the slat span. The slat noise increases in function of the ow speed, whereas low-frequency tonal peaks and the broadband noise decrease as the airfoil angle of attack increases from 2 to 10. The slat noise spectra scalle when the Mach number is raised to a power between 4 and 5, and the tonal noise collapses with Strouhal based on the slat chord and the ow speed. Results show the slat noise is strongly in uenced by the airfoil geometry, particularly for variations in the overlap. A good quantitative agreement was achieved through the comparison between the experimental and numerical slat noise spectra for the same model geometry and test conditions, which indicates the viability of performing aeroacoustic experiments in closed-section wind tunnels.

Com o desenvolvimento para aeronaves de propulsores turbo-fan com elevada razão de derivação, componentes da estrutura do avião passaram a ter relevância na geração de ruído aerodinâmico, principalmente durante a aproximação e o pouso. Dentre esses componentes, o eslate se destaca por ser uma fonte que se estende ao longo de praticamente toda a envergadura da asa. Neste trabalho, simulações numéricas foram feitas no intuito de considerar configurações práticas nas análises do ruído aeroacústico gerado pelo eslate. Um código comercial baseado no Método Lattice-Boltzmann foi usado no cálculo do escoamento transiente em torno do aerofólio MD30P30N. O domínio computacional simulado imitou a configuração geométrica de um túnel de vento. Foi levado em consideração o efeito da presença de duas formas de excrescência que são comuns na cova do eslate de aeronaves comerciais. Uma delas foi um selo que fica posicionado na parede da cova e a outra, um tubo do sistema anti-gelo. Tanto o escoamento transiente na região da cova quanto as características do ruído aeroacústico propagado para o campo distante foram analisados. Uma metodologia que impõe condição de parede com escorregamento livre no es- late e elemento principal, permitindo assim uma redução do custo computacional, foi usada. A abordagem foi ainda testada para a condição de um aerofólio submetido a escoamento cruzado, simulando uma asa infinita com enflechamento. Também uma modificação na metodologia, para que ela possa ser empregada em aerofólios com elevados ângulos de ataque, foi proposta e testada. O código híbrido MSES foi usado para o cálculo da espessura de deslocamento na camada limite do aerofólio. A modificação na geometria baseada em \'delta\'* causou uma melhora da solução aeroacústica de uma simulação empregando paredes com escorregamento livre, tomando como base de comparação a solução com paredes sem escorregamento. Simulações com selo dentro da cova, perto do recolamento, mostraram que, em certas circunstâncias, há um bloqueio dos vórtices da camada de mistura, intensificando picos tonais no espectro do ruído. A variação da posição do selo mostrou um efeito significativo no ruído do eslate, de forma que um selo suficientemente afastado do recolamento modificou o espectro do ruído do eslate. Os resultados com o aerofólio enflechado indicam que, também neste caso, o ruído do eslate não depende diretamente da camada limite na cúspide, mas da circulação do aerofólio. Por sua vez, a presença do tubo na cova aumenta significativamente a intensidade do ruído de banda larga produzido pelo eslate. Em uma asa sem enflechamento, o tubo causa também um aumento substancial na intensidade de picos tonais de baixa frequência. / The development of high by-pass ratio turbo-fan engine turned the airframe noise into an important component in a commercial airplanes\' noise characteristics. Between the airframe noise sources the slat can be highlighted as it extends almost along the whole wing span. Numerical simulation was carried out in order to consider practical configuration in the aeroacoutic noise generated by the slat. The effects of two different excrescences, which are normally present in commercial airplanes\' slat cove, were taken into account. One of them was a seal attached to the cove wall and the outher one was a tube that compose the anti-icing system. Both unsteady flow in cove region and far-field noise characteristics were analysed. A methodology that impose free-slip wall boundary condition on slat and main element surfaces was employed, which allowed the reduction of computational requirements. This approach was also tested for airfoil with crossflow, which simulates an infinite swept wing. Also a modification of the methodology was proposed and tested to extend its application in high-lift airfoils under higher angle of attack. A commercial code based on the Lattice-Boltzmann Method was used to compute the unsteady flow over the MD30P30N airfoil. The simulated computational domain imitates the geometry of a wind tunnel. The hybrid Euler/IBL code MSES was employed to calculate the displacement thickness of the airfoil\'s boundary layers. The geometry modification based on \'delta\'* caused a improvement on the aeroacoustic solution of a free-slip simulation, the no-slip simulation results being taken as reference. Simulations of geometries with relatively small seal close to the reattachment point showed that a blockage of the mixing layer vortices hapens and tonal peaks are intensified in the far-field noise spectrum. The variation of the seal position showed a significant effect on the slat noise, so that a seal farther from the reattachment modified affected both the shape and intensity of the noise spectrum. Results with the swept airfoil indicates that, even in the presence of crossflow, the slat noise does not depend on the cusp boundary layer, namely it is more sensitive to the airfoil circulation. The tube crossing the slat cove augmented significantly the broadband noise generated by the slat. In an unswept wing it also caused a substantial increase in the low-frequency tonal peaks.

Esta dissertação apresenta o desenvolvimento e otimização de uma metodologia baseada em código comercial para previsão de ruído em um eslate, além do estudo da dependência do ruído ao variar a camada limite do aerofólio. Com a contínua redução do ruído produzido por motores em aeronaves e as sucessivas restrições nos níveis de certificação, o ruído produzido por dispositivos aerodinâmicos tem ganhado importância no projeto de uma aeronave. Durante o pouso, o ruído gerado pelos dispositivos hiper-sustentadores é classificado dentre os mais relevantes, sendo o eslate um de seus componentes. Este trabalho busca criar e otimizar uma metodologia baseada no código PowerFLOW, assim como estudar a influência das camadas limite do aerofólio na geração de ruído. Tal código é baseado na formulação de Lattice- Boltzmann. As fontes acústicas simuladas são propagadas utilizando uma analogia acústica de Ffowcs-Williams e Hawkings e, então, analisadas utilizando métodos estatísticos de análise de sinais. Estudos de validação e verificação do código baseados em soluções analíticas são apresentados, tais como uma camada de mistura periódica no espaço e a solução dos vórtices de Taylor-Green. A seguir, o aerofólio 30P30N é utilizado em todo o estudo relacionado a eslates, analisando primeiramente a independência da solução em relação ao nível de refinamento da malha e do tamanho do domínio empregados. Baseado nas recomendações de tal estudo, o resultado é comparado com simulações disponíveis na literatura. Com uma maior confiança na metodologia, o trabalho então apresenta estudos variando a camada limite em regiões do eslate, assim como removendo-a completamente em certas regiões do aerofólio ao empregar condições de contorno de livre-escorregamento. O trabalho mostra que a influência das camadas limite do aerofólio é desprezível em relação ao erro do método. Isso é causado pela aparente independência do ruído do eslate em relação ao escoamento perto de sua cúspide. Tal independência permite que a malha computacional seja otimizada, reduzindo o custo da simulação em até 60%. / This dissertation presents the development and optimization of a methodology based on a commercial software to predict slat noise, also studying noise dependency when varying airfoil boundary layers. Due to continuous reduction on aircraft engine noise and successive restrictions on noise certification levels, airframe noise has been gaining importance on aircraft design. During landing, high-lift noise is ranked as one of the most relevant ones, being slat noise one of its components. This work focuses on creating and optimizing a noise prediction methodology based on the software PowerFLOW, and also on studying the influence of airfoil boundary layers on noise generation. Such software is based on Lattice-Boltzmann formulation. The simulated sound sources are propagated using Ffowcs-Williams and Hawkings acoustic analogy and then analyzed by signal analysis methods. Code validation and verification studies based on analytical solutions are presented, such as the spacially-periodic mixing layer and the Taylor-Green vortices solutions. Following, the 30P30N airfoil is employed through the rest of this work, firstly studying the solution independency related to mesh refinement level and computational domain size. Based on recommendations from this study, the results are compared to simulations from the literature. With higher confidence levels on this methodology, the work then presents studies varying the slat boundary layer and also removing it completely by employing free-slip boundary conditions on certain airfoil regions. This work presents that the airfoil boundary layer influence is neglectable when compared to the method error. This is caused by the apparent slat noise independency related to the flowfield near the slat cusp. Such independency allows the computational mesh to be optimized, reducing the simulation cost by up to 60%.

A redução do ruído externo gerado por aeronaves operando nas proximidades de grandes centros urbanos é apontada como uma questão vital para a manutenção e expansão sustentável das atividades da aviação civil. Nas últimas décadas, reduções significativas no ruído gerado pelos sistemas de propulsão da aeronave tornaram relevantes as contribuições do trem de pouso e dos dispositivos de hiper-sustentação (flapes e eslates) para o ruído global da aeronave. A caracterização do espectro acústico de cada componente hiper-sustentador é necessária para o desenvolvimento de métodos preditivos de ruído e projetos aerodinâmicos que viabilizem a redução de ruído sem penalizações severas para o desempenho e a segurança da aeronave. Experimentos com modelos em escalas mostram que a contribuição de cada elemento hiper-sustentador para o ruído global é determinada pelo tamanho e modelo da aeronave. Tal fato dificulta a generalização dos resultados experimentais e determina a caracterização do espectro acústico de cada componente de um aerofólio em termos de sua geometria e configuração operacional. Este trabalho tem como objetivo principal a caracterização do ruído do eslate a partir de medições experimentais com um aerofólio hiper-sustentador McDonnell Douglas (30P30N), composto por flape, eslate e elemento principal. Os experimentos foram realizados em túnel de vento de seção fechada, e as medições acústicas contaram com o uso de uma antena composta por 62 microfones. Os dados acústicos foram processados com algoritmos de beam-forming convencional e deconvolução DAMAS (Deconvolution Approach for the Mapping of Acoustic Sources). A aplicação de técnicas de beam-forming permite representar uma distribuição espacial de fontes na forma de um mapa acústico e determinar o nível de ruído gerado por fontes que concorrem de forma independente para o ruído global. A base de dados experimentais permite o estudo do ruído do eslate sob diferentes configurações operacionais e geométricas do aerofólio. A análise do espectro acústico do eslate revela a ocorrência de ruído tonal em baixa e alta frequências, e ruído de banda larga em média frequência. Os mapas de beam-forming obtidos associam o ruído de banda larga com uma distribuição bidimensional de fontes ao longo da envergadura do eslate. O ruído do eslate aumenta com a velocidade de escoamento livre, enquanto que os picos tonais de baixa frequência e o ruído de banda larga decrescem com o aumento do ângulo de ataque do aerofólio de 2° para 10°. Os espectros de ruído do eslate colapsam quando reescalados pelo número de Mach do escoamento livre elevado a uma potência entre 4 e 5, e o ruído tonal colapsa em Strouhal dado pela corda do eslate e pela velocidade do escoamento base. Os resultados mostram que o ruído do eslate é fortemente dependente da geometria do aerofólio, particularmente para variações de overlap. Uma boa correspondência quantitativa foi obtida comparando-se espectros experimentais de ruído do eslate com espectros numéricos, obtidos a partir de um modelo com a mesma geometria e em condições de teste idênticas, o que indica a viabilidade do uso de túneis de vento de secção fechada para a realização de experimentos aeroacústicos. / The reduction in the noise produced by aircraft operating in the vicinity of large urban centers is an important issue for a sustainable growth in the civil aviation activities. Over the last decades, from a signicant reduction achieved in the noise generated by aircraft propulsion systems, the contribution of both landing gears and high-lift devices (flaps and slats) has become important to the aircraft overall noise. The identication of the noise signature of each high-lift component is required for the development of both noise prediction methods and new aerodynamic design concepts toward achieving a noise reduction without severe penalty over the aircraft performance and safety. Scaled model experiments have shown that the importance of each airframe component to the overall noise is determined by particularities in both aircraft geometry and size. Such noise model dependence hampers the generalization of experimental results from a reference testing model and leads to the necessity of assessing noise generation according to the testing model geometry and operational condition. This study focuses mainly on the characterization of slat noise from experimental measurements on a high-lift Mcdonnell Douglas (30P30N) airfoil, composed of a slat, a ap and a main element. Measurements were performed in a closed-section wind tunnel by a 62-microphone array and the acoustic data were processed with in-house codes based on conventional beam-forming and DAMAS (Deconvolution Approach for theMapping of Acoustic Sources) algorithms. Beam-forming techniques potentially enable the representation of a spatial source distribution as an acoustic map, from which the contribution of independent sources to the overall noise can be estimated. The experimental database enables the study of the slat noise from dierent airfoil operational conditions and geometrical settings. The slat noise spectral signature reveals the occurrence of tonal noise over both low- and high-frequency bands and also broadband noise over a mid-frequency range. Beam-forming maps indicate the slat broad-band noise originates from a source spatially distributed along the slat span. The slat noise increases in function of the ow speed, whereas low-frequency tonal peaks and the broadband noise decrease as the airfoil angle of attack increases from 2 to 10. The slat noise spectra scalle when the Mach number is raised to a power between 4 and 5, and the tonal noise collapses with Strouhal based on the slat chord and the ow speed. Results show the slat noise is strongly in uenced by the airfoil geometry, particularly for variations in the overlap. A good quantitative agreement was achieved through the comparison between the experimental and numerical slat noise spectra for the same model geometry and test conditions, which indicates the viability of performing aeroacoustic experiments in closed-section wind tunnels.

Since the 1970s, when the reaction engines had their noise reduced by the increase in their bypass ratio, airframe became the most prominent aerodynamic noise source during the approach to landing. From the airframe noise sources, the high-lift devices are one of the most significant. The most studied and applied solutions for these noise sources refer to passive flow control, and there are relatively few studies related to active flow control. Active flow control is achieved by adding energy to the flow in order to manipulate it. One way to accomplish this is through the dielectric barrier discharge plasma actuators. These devices create an intense electric field between two electrodes separated by a dielectric. This strong electric field ionizes and accelerates the air through collision of charged particles of the plasma with neutral air molecules. Thus, a wall jet is produced without using moving parts. In this research, plasma actuators were installed at the flap side edge, at the cove and at the cusp of the slat. Wind tunnel tests have demonstrated the potential of these devices for high-lift noise reduction, allowing for a decrease up to 0.75 dB in the overall flap noise and up to 3.3 dB in overall slat noise (with a reduction of 12 dB at the higher peak). / Desde a década de 1970, quando os motores a reação tiveram seu ruído reduzido devido ao aumento da razão de derivação, o ruído de célula se tornou o mais proeminente durante a fase de aproximação para pouso. Do ruído de plataforma aeronáutica, destacam-se os ruídos gerados pela interação do escoamento com os dispositivos hipersustentadores. As soluções mais estudadas e aplicadas para estas fontes de ruído se referem a controle passivo do escoamento, havendo relativamente poucos estudos relacionados a controle ativo. Controle ativo do escoamento é obtido adicionando-se energia ao mesmo, e uma forma de realizar isto é através dos atuadores de plasma de descarga de barreira dielétrica. Nestes dispositivos um intenso campo elétrico entre dois eletrodos separados por um dielétrico é gerado, ionizando e acelerando o ar através da colisão de partículas carregadas do plasma com moléculas neutras. Desta forma, um jato de parede é produzido sem o uso de partes móveis. Nesta pesquisa, atuadores de plasma foram instalados na borda lateral do flape, na cova e na cúspide do eslate. Ensaios em túnel de vento demonstraram o potencial destes dispositivos para redução de ruído de hipersustentadores, permitindo a redução de até 0.75 dB no ruído global de flape e de até 3.3 dB no ruído global de eslate (com redução de 12 dB no maior pico).