The growing stringency of community noise regulations for commercial turbo-fan engines requires the development of effective jet noise suppression configurations. The lobed mixer has been previously found to be an effective noise reduction device for medium or low bypass engines typical of regional jet aircraft applications. The large number of geometrical design parameters for lobed mixers precludes trial and error experimental studies. In this study, a robust computational tool was used to investigate the effects of lobe number, penetration depth and scalloping depth on the sound radiated from a lobed mixer. The near field sound and flow were simulated using a flow solver based on the Lattice Boltzmann Method (LBM). The far-field radiated sound was predicted using the Ffwocs William-Hawkings (FWH) surface integral method. The Reynolds number based on jet diameter was 1.36×10^6 and the peak Mach number reached 0.5. The low-Mach setting was to abide by the constraints of the 19-stage LBM algorithm used in this study, with operating conditions selected to best approach the operating conditions of actual engines. The effects of an outer mean flow to simulate forward flight were not included. Two groups of one quarter scale mixers were selected for investigation. Flow results and statistics were obtained. Plume survey data was obtained across transverse cross-sections of the jet at different downstream locations. Far-field overall sound pressure level (OASPL) and sound pressure level (SPL) directivity results were obtained. All lobed mixers configurations were found to be quieter than the baseline confluent mixer. The results showed that a greater lobe number and a greater penetration depth leads to lower low-to-mid frequency noise, and relatively higher sound pressure levels at high frequency at locations far downstream. Lobed mixers were found to decrease the sound pressure level at mid frequencies, and to significantly decrease noise emissions at low frequencies. The introduction of scalloping did not provide the same low-frequency noise reduction advantage as unscalloped mixers, but yielded noise reduction benefits at low frequencies compared to the baseline case. Deep scalloping tended to trade off low-frequency noise suppression for a noise decrease at high frequencies. The SPL directivity indicated the angle of maximum emissions changed with scalloping depth. The results were found to be in qualitative agreement with published experimental data. / Les récentes mesures prises afin de règlementer le bruit provenant des turboréacteurs à double flux nécessitent le développement de nouvelles configurations de tuyères pour réduire le bruit de ces moteurs. Il a déjà été démontré que les mélangeurs lobés peuvent aider à réduire les émissions sonores. La construction des mélangeurs à lobes comprend un grand nombre de paramètres géométriques, ce qui rend difficiles les approches d'optimisation expérimentales pour trouver la configuration idéale. Dans la présente étude, un logiciel a été utilisé pour analyser l'effet du nombre de lobes sur les niveaux de bruit. Les effets de la largeur et profondeur des lobes, et la profondeur des festons furent aussi étudiés. L'écoulement et le bruit à proximité du jet ont été simulés en utilisant un logiciel basé sur la méthode de Boltzmann sur réseau (MBR). Le bruit en champ lointain a été prédit en utilisant la méthode analogique de Ffwocs-Williams et Hawkings. Le nombre de Reynolds, basé sur le diamètre du jet, était de 1.36x10^6, et le nombre de Mach maximum était 0.5. Le nombre de Mach est limité en raison de restrictions inhérentes au schéma de calcul MBR utilisé. Les paramètres de l'écoulement ont été choisis pour approcher les conditions de vol de vrais moteurs. Les effets d'un écoulement extérieur pour simuler le mouvement de l'avion ne furent pas pris en considération. Deux groupes de mélangeurs à l'échelle d'un quart ont été sélectionnés pour cette étude. Les résultats et statistiques de l'écoulement instantané et moyenné ont été obtenus. Les données du panache ont été obtenues sur des coupes transversales à plusieurs positions en aval du jet. Les niveaux de pression acoustiques pondérés et la directivité du bruit ont été obtenus. Tous les résultats indiquent que les mélangeurs à lobes étudiés sont plus silencieux que le mélangeur confluent standard, tel qu'attendu. Les résultats suggèrent qu'un plus grand nombre de lobes et une profondeur de pénétration plus prononcée sont préférables vis à vis les fréquences moyennes et basses, au prix d'émissions accrues en aval pour les fréquences élevées. Les mélangeurs à lobes semblent produire moins de bruit aux fréquences moyennes, mais la réduction est plus prononcée pour le bruit à basse fréquence. Les mélangeurs avec festons n'ont pas réduit le bruit à basse fréquence autant que les mélangeurs sans festons. Ceci semble indiquer que les festons à haute-profondeur sont préférables aux fréquences élevées et non aux basses fréquences. La directivité du bruit suggère un décalage de crête associé à la variation de la profondeur des festons. Les résultats obtenus sont en bon accord qualitatif avec les données expérimentales publiées dans la littérature.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.119711 |
| Date | January 2013 |
| Creators | Gong, Hao |
| Contributors | Luc Mongeau (Internal/Supervisor) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Master of Engineering (Department of Mechanical Engineering) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically-submitted theses. |
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