Dans les systèmes d'échappement automobile, les sources de bruit d'origine aéro-acoustique représentent une partie importante du contenu fréquentiel, objectivement et subjectivement identifiable. De robustes procédures de tests ont été mises en place mais la simulation du contenu du bruit n'a pas encore fait ses preuves dans les processus de développement au quotidien. Cette thèse montre que le bruit aéro-acoustique provenant de sources type dipôle est dominant pour ce qui concerne les systèmes automobiles. La simulation des écoulements à l'origine de ces bruits spécifiques combinée avec les outils de calculs acoustiques classiques est très lourde voir tout simplement impossible. Le but de cette thèse est d'analyser la loi d'échelle pour des modèles de sources compactes, permettant de déterminer l'émission de la puissance acoustique selon différentes configurations géométriques "simples" et généralement répandues (par ex. tube perforé, diaphragme placé dans un tube…) basées sur des données empiriques. Il est démontré à l'aide de simulations que son utilisation est simple et que la précision de ces modèles de sources est satisfaisante si l'on ne s'écarte pas trop des géométries déjà analysées. / On automotive exhaust systems aero acoustic noise is a dominant and critical noise content, which is clearly objectively and subjectively detectable. Robust test procedures are established but the simulation of this noise content has not gained ground in the real life development processes. This thesis shows that the dominating characteristic of the aero acoustic noise of automotive systems is dipole noise. The simulation of these specific noise sources with classical computational areo acoustics is very cumbersome or even just impossible. The aim of the thesis is a review of the scaling law approach for compact source models, enabling the determination of the sound power emission of discret configurations based on empirical data. Application simulations show that the use of these source models is simple and that the accuracy is acceptable within the geometry limits analysed.

O som gerado por escoamentos, também conhecido como aeroacústica, tem se tornado cada vez mais importante em áreas industriais diversas desde aviação comercial até aparelhos eletrodomésticos, afetando diretamente os requisitos necessários para o desenvolvimento de novos produtos. Um caso particular é o ruído gerado por válvulas de compressores herméticos de refrigeração, sendo o compressor a principal fonte de ruído em refrigeradores domésticos. O presente trabalho tem por objetivo iniciar o desenvolvimento de uma ferramenta confiável de simulação capaz de auxiliar engenheiros na predição de problemas de aeroacústica, especialmente um que possa no futuro ser utilizado para estudar o ruído gerado pelo escoamento em válvulas de compressores herméticos. Para isso, foi desenvolvido um código para simulação numérica direta de aeroacústica. Utilizou-se processamento paralelo com decomposição de domínio para usar Simulação Numérica Direta em um tempo factível; esquemas de discretização espaciais e temporais de alta ordem para minimizar ao máximo os fenômenos de dissipação e dispersão do escoamento e das ondas acústicas e uma série de tratamentos no domínio como filtragem e estiramento da malha como também condições de contorno características com o intuito de obter uma solução adequada para estudo de aeroacústica. Assim, são apresentadas todas as etapas desenvolvidas no equacionamento, implementação e verificação. A verificação foi realizada segundo um processo matemático formal (Método das Soluções Manufaturadas) com o qual obteve-se que a ordem de precisão dos cálculos era a mesma da ordem formal dos esquemas de discretização utilizados para todas as variáveis. Também obteve-se a mesma concordância para análise do divergente da velocidade, verificando o código para simulação numérica direta de aeroacústica. Posteriormente, foram realizadas simulações de escoamentos compressíveis cisalhantes e seus resultados comparados com dados apresentados em literatura. Também foram calculadas as taxas de amplificação de perturbações e comparadas com a Teoria de Estabilidade Linear. Novamente, foram obtidos resultados satisfatórios nessas etapas, mostrando que a implementação do código DNS está verificada. / Sound generated by flow, known as aeroacoustics, is becoming more important in several industrial areas from commercial aircraft to household appliances, affecting directly the requirements to the development of new products. A particular case is the noise generated by valves of refrigeration hermetic compressors, being the compressor the main noise source in household refrigerators. This work has the goal of initiate the development of a reliable tool able to help engineers to predict aeroacoustics problems, specially one that can be used in the future to study the noise generated by the flow in valves of hermetic compressors. To do so, it was developed a numerical code to perform direct numerical simulation of aeroacoustics. It was used parallel processing with domain decomposition to use Direct Numerical Simulation in a feasible time; high order temporal and spatial discretization schemes to minimize the most the dispersion and dissipation phenomena of the flow field and of the acoustics waves and a series of treatments in the domain as filtering and mesh stretching as well as characteristics boundary conditions aiming a proper solution to study aeroacoustics. Thus, here all the steps developed in the formulation, implementation and verification are presented . The verification was done according to a formal mathematical procedure (Method of Manufactured Solutions) with which was found that the precision order of the calculations was the same of the formal order of the used discretization schemes for all variables. The same agreement was also obtained to the analysis of the divergence of the velocity, verifying the code to direct numerical simulation of aeroacoustics. Posteriorly, it were simulated shear compressible flows and the results were compared to literature data. Also, it were calculated the amplification rates of the disturbances and compared to Linear Stability Theory. Once more, it was obtained satisfactory results in these steps, showing that the implementation of the DNS code is verified.

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.

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.

Les travaux de cette thèse concernent la modélisation et la simulation numérique de la propagation d’ondes acoustiques en présence d’un écoulement. Le modèle retenu pour ces études est l’équation de Galbrun. Les travaux faits sur l’équation de Galbrun ont essentiellement porté sur le régime harmonique. En revanche, la plupart des études mathématiques et numériques du problème de l’aéroacoustique est en régime transitoire. C’est pourquoi, il est intéressant pour nous d’étudier l’équation de Galbrun en régime transitoire. Pour résoudre cette équation en régime transitoire, notre approche a reposé sur la transformée de Laplace, qui nous permet de faire l’échange entre le domaine harmonique et le domaine réel. Un autre sujet abordé dans cette thèse est celui du traitement des conditions aux limites non réfléchissantes en écoulement uniforme et non-uniforme. Nous proposons la méthode PML pour l’équation de Galbrun. Inspirée par la méthode de Hu, nous proposons un nouveau modèle PML associé à l’équation de Galbrun, qui a toujours conduit à une solution exponentiellement décroissante dans la couche, même en présence d’ondes inverses. Les simulations acoustiques montrent étonnamment d’erreur de convergence pour les deux modèles classiques et nouveaux. Nous validons notre modèle PML à travers plusieurs exemples numériques dans l’écoulement uniforme et non-uniforme. Le dernier objectif est de proposer des modèles de sources aéroacoustiques associées à l’équation de Galbrun. Après une présentation en détail des modèles existants, on adapte une méthode hybride (EIF) à l’équation de Galbrun. Pour assurer la validité de l’approche globale, certains tests classiques sont choisis parmi la littérature et les résultats sont comparés avec les approches existantes et les solutions analytiques. / The work of this thesis is about the numerical modeling and simulation of the propagation of acoustic waves in the presence of a flow. The model used for these studies is the equation of Galbrun. The work done on the Galbrun equation focused on the harmonic regime. In contrast, most of the mathematical and numerical studies of the aeroacoustics problems are in the transient regime. That is why it is interesting for us to study the Galbrun equation in the transient regime. To solve this equation in the transient regime, our approach is based on the Laplace transform, which allows us to exchange between the frequency domain and the real domain. Another topic discussed in this thesis is the treatment of non-reflecting boundary conditions in uniform and non-uniform flow. We propose the Perfectly Matched Layer method for the Galbrun equation. Inspired by the Hu’s method, we propose a new PML model associated with the Galbrun equation, which always leads to an exponentially decreasing solution in the layer, even in the presence of reverse waves. Acoustic simulations show surprisingly error convergence for both classic and new models. We validate our PML model through several numerical examples in uniform and non-uniform flow. The final objective is to propose models for aeroacoustics sources associated with the Galbrun equation. After presenting in detail the existing models, we adapt a hybrid method (Expansion about Incompressible Flow) in Galbrun equation. To ensure the validity of the overall approach, some classical tests are selected from the literature and the results are compared with existing approaches and analytical solutions.

O som gerado por escoamentos, também conhecido como aeroacústica, tem se tornado cada vez mais importante em áreas industriais diversas desde aviação comercial até aparelhos eletrodomésticos, afetando diretamente os requisitos necessários para o desenvolvimento de novos produtos. Um caso particular é o ruído gerado por válvulas de compressores herméticos de refrigeração, sendo o compressor a principal fonte de ruído em refrigeradores domésticos. O presente trabalho tem por objetivo iniciar o desenvolvimento de uma ferramenta confiável de simulação capaz de auxiliar engenheiros na predição de problemas de aeroacústica, especialmente um que possa no futuro ser utilizado para estudar o ruído gerado pelo escoamento em válvulas de compressores herméticos. Para isso, foi desenvolvido um código para simulação numérica direta de aeroacústica. Utilizou-se processamento paralelo com decomposição de domínio para usar Simulação Numérica Direta em um tempo factível; esquemas de discretização espaciais e temporais de alta ordem para minimizar ao máximo os fenômenos de dissipação e dispersão do escoamento e das ondas acústicas e uma série de tratamentos no domínio como filtragem e estiramento da malha como também condições de contorno características com o intuito de obter uma solução adequada para estudo de aeroacústica. Assim, são apresentadas todas as etapas desenvolvidas no equacionamento, implementação e verificação. A verificação foi realizada segundo um processo matemático formal (Método das Soluções Manufaturadas) com o qual obteve-se que a ordem de precisão dos cálculos era a mesma da ordem formal dos esquemas de discretização utilizados para todas as variáveis. Também obteve-se a mesma concordância para análise do divergente da velocidade, verificando o código para simulação numérica direta de aeroacústica. Posteriormente, foram realizadas simulações de escoamentos compressíveis cisalhantes e seus resultados comparados com dados apresentados em literatura. Também foram calculadas as taxas de amplificação de perturbações e comparadas com a Teoria de Estabilidade Linear. Novamente, foram obtidos resultados satisfatórios nessas etapas, mostrando que a implementação do código DNS está verificada. / Sound generated by flow, known as aeroacoustics, is becoming more important in several industrial areas from commercial aircraft to household appliances, affecting directly the requirements to the development of new products. A particular case is the noise generated by valves of refrigeration hermetic compressors, being the compressor the main noise source in household refrigerators. This work has the goal of initiate the development of a reliable tool able to help engineers to predict aeroacoustics problems, specially one that can be used in the future to study the noise generated by the flow in valves of hermetic compressors. To do so, it was developed a numerical code to perform direct numerical simulation of aeroacoustics. It was used parallel processing with domain decomposition to use Direct Numerical Simulation in a feasible time; high order temporal and spatial discretization schemes to minimize the most the dispersion and dissipation phenomena of the flow field and of the acoustics waves and a series of treatments in the domain as filtering and mesh stretching as well as characteristics boundary conditions aiming a proper solution to study aeroacoustics. Thus, here all the steps developed in the formulation, implementation and verification are presented . The verification was done according to a formal mathematical procedure (Method of Manufactured Solutions) with which was found that the precision order of the calculations was the same of the formal order of the used discretization schemes for all variables. The same agreement was also obtained to the analysis of the divergence of the velocity, verifying the code to direct numerical simulation of aeroacoustics. Posteriorly, it were simulated shear compressible flows and the results were compared to literature data. Also, it were calculated the amplification rates of the disturbances and compared to Linear Stability Theory. Once more, it was obtained satisfactory results in these steps, showing that the implementation of the DNS code is verified.

RESUMO Simulações de aeroacústica computacional demandam uma quantidade considerável de tempo, o que torna complicada a realização de estudos paramétricos. O presente trabalho propõe uma metodologia viável para otimização aeroacústica. Através da análise numérica utilizando dinâmica dos fluidos computacional, foi estudada a aplicação de uma placa separadora desacoplada como método de controle passivo da esteira turbulenta de um cilindro e avaliou-se a irradiação de ruído causado pela interação do escoamento com ambos os corpos, empregando ferramentas de aeroacústica computacional baseadas no método de Ffowcs-Williams e Hawkings. Algumas abordagens distintas de metodologias de otimização de projeto foram aplicadas neste problema, com o objetivo de chegar a uma configuração otimizada que permita a redução do nível sonoro ao longe. Assim, utilizando uma ferramenta de otimização multidisciplinar, pode-se avaliar a capacidade de modelos heurísticos e a grande vantagem do emprego de algoritmos baseados em método de superfície de resposta quando aplicados em um problema não linear, pois requerem a avaliação de um menor número de alternativas para se obter um ponto ótimo. Além disso, foi possível identificar e agrupar os resultados em 5 clusters baseados em seus parâmetros geométricos, nível de pressão sonora global e o valor quadrático médio do coeficiente de arrasto, confirmando a eficiência da aplicação de placas separadoras longas desacopladas posicionadas próximas ao cilindro na estabilização da esteira turbulenta, enquanto que o posicionamento de placas acima de um espaçamento crítico aumentou o nível de pressão acústica irradiado devido à formação de vórtices no espaço entre o cilindro e a placa separadora. / Computational aeroacoustics simulations require a considerable amount of time, which makes the comparison of a large number of different geometric designs a difficult task. The goal of the present study is to provide a suitable methodology for aeroacustic optimization. By means of numerical analyses using computational fluid dynamics tools, the application of a detached splitter plate as a passive control method for the turbulent wake of a circular cylinder was investigated. The irradiation of noise caused by the interaction between the flow and both bodies was evaluated using computational aeroacoustics tools based on the Ffowcs-Williams and Hawkings method. Various design optimization methodologies were applied to this flow in order to achieve a possible optimal configuration, i.e., one which is capable of reducing the far field noise level without increasing the aerodynamic forces. Using a multidisciplinary optimization tool, it was possible to evaluate the behavior of heuristic optimization algorithms and the major advantage of algorithms based on response surface methods when applied to a nonlinear aeroacoustics problem, since they require a smaller number of calculated designs to reach the optimal configuration. In addition, it was possible to identify and group the outcomes into 5 clusters based on their geometric parameters, overall sound pressure level and drag coefficient, confirming the efficiency of the application of long detached splitter plates placed next to the cylinder in stabilizing the turbulent wake, whereas the positioning of splitter plates at a distance larger than a critical gap increased the overall sound pressure level radiated due to the formation of vortices in the gap.

Cette étude vise à caractériser en soufflerie les mécanismes aérodynamiques à l’origine de la génération puis la transmission des fluctuations de bruit dans un modèle d’habitacle automobile. Le banc d’essai conçu en soufflerie anéchoïque consiste en un écoulement dont la vitesse incidente est modulée par un volet mobile, et qui par interaction avec une marche montante rayonne un bruit aéroacoustique transmis à travers une vitre dans un caisson anéchoïque. L’approche retenue consiste, pendant le temps de maniement du volet, à mesurer et relier le champ de vitesse externe mesuré à l’aide de la technique de vélocimétrie laser par images de particules (TR-PIV échantillonnée à 20 kHz) à la pression pariétale d’une part, puis au champ acoustique interne obtenu par transmission d’autre part. Des outils de corrélation spatio-temporelle sont alors utilisés pour mettre en évidence les zones de l’écoulement les plus corrélées avec les fluctuations d’énergie de la pression pariétale et celles du niveau de bruit intérieur. La fluctuation du chargement aérodynamique de la vitre sous la bulle de recirculation est logiquement liée à l’activité instationnaire de cette dernière, puis plus en aval, au lâcher tourbillonnaire. Quant au bruit transmis dans le modèle d’habitacle, il semble principalement lié aux fluctuations de vitesse dans la couche de cisaillement. Enfin, une procédure spécifique a permis d’évaluer le caractère quasi-stationnaire des variations temporelles des quantités fluctuantes ainsi que la réponse acoustique de la vitre. / This study aims at characterizing in a wind tunnel the aerodynamic mechanisms contributing to the generation and transmission of the noise fluctuations into a car interior model. The test bench designed in anechoic wind tunnel consists of a flow whose incoming flow velocity is modulated by a mobile flap, and which by interaction with a forward-facing step radiates an aeroacoustic noise transmitted through a glass into an anechoic box. The adopted approach consists, during the flap handling time, in measuring and connecting the external velocity field measured using the Time-Resolved laser Particle Image Velocimetry technique (TR-PIV at sampling frequency 20 kHz) to the wall pressure on the one hand, and then to the internal acoustic field obtained by transmission on the other hand. Spatio-temporal correlation tools are then used to highlight the flow areas that are the most correlated with the energy fluctuations of the wall pressure and with those of the internal noise level. The fluctuation of the aerodynamic loading of the window under the recirculation bubble is logically related to the unsteady activity of the latter, then further downstream to the vortex stream. As for the noise transmitted into the cabin model, it seems mainly related to the speed fluctuations in the shear layer. Finally, a specific procedure allows to evaluate the quasi-steady nature of the temporal variations of the fluctuating quantities, as well as the acoustic response of the window.

The first bypass turbofan engines came into operation in the early 1970s. The need for reductions in the fuel consumption affected aircraft noise positively through reductions in the jet noise. Over the past decades, the bypass ratio of turbofan engines has continuously increased and, as a result, aircraft engine noise has decreased to a level comparable to the noise originated from the turbulent flow around the airframe for take-off and landing conditions. Although aircraft have become quieter, the number of individuals affected by the aviation growth is likely to increase. Airframe noise has been currently identified as the ultimate aircraft noise barrier and many efforts devoted to its reductions have focused specifically on landing gears and high-lift devices, which are the most relevant noise contributors. Some devices have been designed to reduce flap noise, however, not all of them have been successfully tested in a detailed large-scale flap model due to their difficult implementation in real flap side-edges. This research investigates the relationship between the parameters of a large-scale flap model at 1.50×106 Reynolds number and the physics responsible for flap side-edge noise generation, one of the most dominant sources of the airframe noise. Experimental tests were conducted in a wind-tunnel and flow-field measurements were taken by a multi-hole pitot probe and an aerodynamic balance and complemented by phased microphone array techniques towards a deeper understanding of flap side-edge noise sources and their correlations to unsteady vorticity fluctuations. Conventional beamforming and CLEAN-SC and DAMAS deconvolution methodologies provided far-field acoustic spectra estimations and noise source mapping. The model used for the tests consists of an unswept isolated flap element with representative tip details present in conventional medium-range transport aircraft. The instrumentation includes 106 steady pressure taps distributed chord-wise and span-wise and a sand trip tape to transition the laminar boundary layer. Different side-edge devices were assessed towards airframe noise reductions. A perforated side-edge treatment was also applied to the flap side-edge. Results of aerodynamic and aeroacoustic tests conducted in the LAE-1 closed circuit wind tunnel with a closed test section at the São Carlos School of Engineering - University of São Paulo (EESC-USP) at up to 40 m/s flow speeds provided specific information on the aeroacoustic and aerodynamic characterization of the dominant acoustic source mechanisms of the flap model. / Os primeiros motores turbofan com razão de desvio entraram em operação no início dos anos 70. A necessidade de reduções no consumo de combustível afetou positivamente o ruído das aeronaves através de reduções no ruído do jato. Nas últimas décadas, a razão de desvio de motores turbofan aumentou continuamente e, como resultado, o ruído do motor da aeronave diminuiu para um nível comparável ao ruído originado do fluxo turbulento ao redor do airframe para as condições de decolagem e pouso. Embora as aeronaves tenham-se tornado mais silenciosas, é provável que o número de indivíduos afetados pelo crescimento da aviação aumente. Atualmente, o ruído de airframe tem sido identificado como a barreira máxima de ruído para aeronaves e muitos esforços dedicados à sua redução se concentraram especificamente no trem de pouso e dispositivos de alta sustentação, que são os contribuidores de ruído mais relevantes. Alguns dispositivos foram projetados para reduzir o ruído do flap, no entanto, nem todos deles foram testados com sucesso em um modelo detalhado de flap de grande escala, devido a sua difícil implementação nas bordas laterais do flap real. Esta pesquisa investiga a relação entre os parâmetros de um modelo de flap de grande escala com número de Reynolds de 1.50 × 106 e a física responsável pela geração de ruído na borda lateral do flap, uma das fontes mais dominantes do ruido de airframe. Testes experimentais foram realizados em um túnel de vento e as medidas do escoamento foram tomadas por uma sonda pitot de múltiplos furos e uma balança aerodinâmica e complementadas por técnicas de antenas de microfones para um entendimento mais profundo das fontes de ruído da ponta do flap e suas correlações com flutuações instáveis de vorticidade. O beamforming convencional e as metodologias de deconvolução CLEAN-SC e DAMAS forneceram estimativas de espectros acústicos de campo distante e mapeamento de fontes de ruído. O modelo usado para os testes consiste em um elemento de flap isolado, sem enflechamento, com detalhes de ponta representativos presentes em aeronaves convencionais de transporte de médio alcance. A instrumentação inclui 106 tomadas de pressão estacionárias distribuídas na corda e na envergadura e um trip de fita de areia para fazer a transição da camada limite laminar. Diferentes dispositivos de borda lateral foram avaliados em relação às reduções de ruído de airframe. Um tratamento perfurado de borda lateral também foi aplicado à borda lateral do flap. Os resultados dos testes aerodinâmicos e aeroacústicos realizados no túnel de vento de circuito fechado LAE-1, com seção de provas fechada na Escola de Engenharia de São Carlos - Universidade de São Paulo (EESC-USP) com velocidade de fluxo de até 40 m/s forneceram informações específicas sobre a caracterização aeroacústica e aerodinâmica dos mecanismos dominantes de fonte acústica do modelo de flap.

New methodologies and concepts for developing compact and energy efficient automotive exhaust systems have been studied. This originates in the growing concern for global warming, to which road transportation is a major contributor. The focus has been on commercial vehicles—most often powered by diesel engines—for which the emission legislation has been dramatically increased over the last decade. The emissions of particulates and nitrogen oxides have been successfully reduced by the introduction of filters and catalytic converters, but the fuel consumption, which basically determines the emissions of carbon dioxides, has not been improved accordingly. The potential reduction of fuel consumption by optimising the exhaust after-treatment system (assuming fixed after-treatment components) of a typical heavy-duty commercial vehicle is ~4%, which would have a significant impact on both the environment and the overall economy of the vehicle. First, methodologies to efficiently model complex flow duct networks such as exhaust systems are investigated. The well-established linear multiport approach is extended to include flow-acoustic interaction effects. This introduces an effective way of quantifying amplification and attenuation of incident sound, and, perhaps more importantly, the possibility of predicting nonlinear phenomena such as self-sustained oscillations—whistling—using linear models. The methodology is demonstrated on T-junctions, which is a configuration well known to be prone to self-sustained oscillations for grazing flow past the side branch orifice. It is shown, and validated experimentally, that the existence and frequency of self-sustained oscillations can be predicted using linear theory. Further, the aeroacoustics of T-junctions are studied. A test rig for the full determination of the scattering matrix defining the linear three-port representing the T-junction is developed, allowing for any combination of grazing-bias flow. It is shown that the constructive flow-acoustic coupling not only varies with the flow configuration but also with the incidence of the acoustic disturbance. Configurations where flow from the side branch joins the grazing flow are still prone to whistling, while flow bleeding off from the main branch effectively cancels any constructive flow-acoustic coupling. Two silencer concepts are evaluated: first the classic Herschel-Quincke tube and second a novel modified flow reversal silencer. The Herschel-Quincke tube is capable of providing effective attenuation with very low pressure loss penalty. The attenuation conditions are derived and their sensitivity to mean flow explained. Two implementations have been modelled using the multiport methodology and then validated experimentally. The first configuration, where the nodal points are composed of T-junctions, proves to be an example where internal reflections in the system can provide sufficient feedback for self-sustained oscillation. Again, this is predicted accurately by the linear theory. The second implementation, with nodal points made from Y-junctions, was designed to allow for equal flow distribution between the two parallel ducts, thus allowing for the demonstration of the passive properties of the system. Experimental results presented for these two configurations correlate well with the derived theory. The second silencer concept studied consists of a flow reversal chamber that is converted to a resonator by acoustically short-circuiting the inlet and outlet ducts. The eigenfrequency of the resonator is easily shifted by varying the geometry of the short circuit, thus making the proposed concept ideal for implementation as a semi-active device. Again the concept is modelled using the multiport approach and validated experimentally. It is shown to provide significant attenuation over a wide frequency range with a very compact design, while adding little or no pressure loss to the system. / QC 20110208