The main sources of airframe noise in commercial aircrafts are the landing gear and the highlift devices. Among the high-lift devices, the slat deserves special attention since it represents a distributed source along the wing span. During approach and landing the noise generated by the slat can be comparable to the engine generated noise. For the design of quieter high-lift systems, it is important to understand the physics responsible for the slat noise generation. The objective of the work described in this thesis is to correlate the dynamics of large scale turbulent structures at different airfoil configurations with the characteristics of the noise generated by these structures. Four different configurations were investigated, ranging two airfoil angles of attack and three slat positions relative to the main element. The unsteady flow data was provided by a Lattice-Boltzmann based computational code. The Proper Orthogonal Decomposition technique was used for the objective identification of large scale structures in the slat region. Two different metrics were considered for the eduction of the coherent structures: one based on the Turbulent Kinetic Energy of the structures; and one based on their correlation to the noise emitted by the slat. The results of the transient simulations showed good agreement with wind tunnel measurements, providing confidence on the relevance of the analysis. The noise spectra of three of the cases simulated were dominated by a series of narrowband peaks at low frequency, while the spectrum of the remaining case was broadband in nature. Analysis of the averaged flow showed a large variation of the size and shape of the recirculating zone inside the slat cove and on the reattachment position of the mixing layer, between the simulated cases. The results indicated that, as the reattachment point approximates the region of the gap between the slat and the main element, the noise emission power increases. The large scale structures most correlated to the noise were typically two-dimensional and their shape suggests they resulted from the growth of disturbances in the mixing layer due to the inflectional instability. The dynamics of the noise correlated structures at the frequencies of the peaks was consistent with the existence of an acoustic feedback mechanism acting inside the slat cove. Based on the observation of the educed structures a model to predict the frequencies of peaks was proposed, showing good agreement with the frequencies computed from the unsteady flow data. / As principais fontes de ruído não propulsivo em aeronaves comerciais são os trens-de-pouso e os dispositivos híper-sustentadores. Entre os dispositivos híper-sustentadores, o eslate se destaca por constituir uma fonte distribuída ao longo da envergadura da asa. Durante a fase de aproximação e aterrissagem, o eslate pode gerar ruído com níveis comparáveis ao gerado pelos motores. Para viabilizar projetos de aerofólios com eslates menos ruidosos, é importante compreender os fenômenos fluidodinâmicos responsáveis pela geração desse ruído. O trabalho descrito neste texto tem por objetivo verificar se existe correlação entre o comportamento de grandes estruturas turbulentas em diferentes configurações do aerofólio com as características do ruído aeroacústico gerado por elas. O escoamento em quatro configurações diferentes foi estudado, abrangendo dois ângulos de ataque e três posições do eslate em relação ao elemento principal. Os dados do escoamento para análise foram gerados através de simulações numéricas não estacionárias utilizando um código comercial baseado no Método Lattice-Boltzmann. O método da Decomposição Ortogonal Apropriada foi utilizado para a identificação das estruturas de grande escala baseada em critérios objetivos. Duas métricas distintas foram utilizadas, uma baseada na energia cinética turbulenta e outra baseada na correlação com as ondas acústicas geradas a partir do eslate. Os resultados das simulações transientes apresentaram boa concordância com resultados experimentais. O espectro de ruído de três casos simulados são dominados por picos de baixa frequência, enquanto o espectro do quarto caso é tipicamente de banda larga. A análise do escoamento indica uma tendência de aumento do ruído à medida que o recolamento se aproxima do bordo de fuga do eslate. As estruturas mais correlacionadas com o ruído são tipicamente bi-dimensionais e seu formato indica que são resultado do crescimento de perturbações na camada de mistura devido à instabilidade inflexional. A dinâmica das estruturas correlecionadas com o ruído na frequência dos picos é consistentes com a existência de uma retro-alimentação das perturbações da camada de mistura por ondas acústica na cova do eslate. Um modelo para previsão das frequências dos picos foi proposto a partir da observação das estruturas identificadas pela Decomposição Ortogonal Apropriada, mostrando boa concordância com as frequências observadas nos espectros calculados com base nos dados transientes das simulações.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:teses.usp.br:tde-27112017-092717 |
| Date | 19 April 2016 |
| Creators | Daniel Sampaio Souza |
| Contributors | Marcello Augusto Faraco de Medeiros, Daniel Rodriguéz Alvarez, Leonardo Santos de Brito Alves, João Luiz Filgueiras de Azevedo, Bruno Souza Carmo, Gherhardt Ribatski |
| Publisher | Universidade de São Paulo, Engenharia Mecânica, USP, BR |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis |
| Source | reponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP, instname:Universidade de São Paulo, instacron:USP |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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