Tesis:
Efficient Turbomachinery Broadband Noise Analysis using Linearised Navier-Stokes Solvers and Synthetic Turbulence Models
- Autor: BLÁZQUEZ NAVARRO, Ricardo Antonio
- Título: Efficient Turbomachinery Broadband Noise Analysis using Linearised Navier-Stokes Solvers and Synthetic Turbulence Models
- Fecha: 2022
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: FACULTAD DE INFORMATICA
- Departamentos: AEROTECNIA
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/70195/
- Director/a 1º: CORRAL GARCIA, Roque
- Resumen: Rotor-stator interaction (RSI) broadband noise is a subject of growing interest in civil aviation due to the ever-increasing turbofan bypass ratios. This has positioned the fan and the turbine, and in particular their RSI broadband component, among the most important contributors to the aircraft engine’s noise footprint at most operating conditions. Thus, to comply with everyday more stringent noise requirements imposed by the airworthiness authorities, the reduction of broadband noise is key. This represents a true challenge, requiring a deep understanding of the noise source. For that aim, the development of higher-fidelity prediction methodologies compared to the state-of-the-art is of fundamental importance and is the subject of this thesis. This thesis presents an efficient methodology to predict rotor-stator interaction broadband noise. Unlike state-of-the-art industry methodologies, the approach herein presented retains the airfoil geometry as the interaction between the turbulence, characterised by RANS simulations, and the turbomachine is solved with a Linearised Navier-Stokes Solver. The methodology, described in Chapter 2, is as well able to model multi-stage environments. This feature is of major importance for the prediction of fan acoustic blockage and for the prediction of broadband noise in turbine environments. Due to the superior performance of frequency-domain Linearised Navier-Stokes Solvers compared to their time-domain counterparts, the first kind is used in this thesis. The main principles and features of this kind of solver are presented in Chapter 3. Turbulence modelling is a key step for the prediction of broadband noise. Therefore, a complete chapter - Chapter 4 - is devoted for that aim. Several analytical models are presented. The generation of synthetic turbulence based on RANS data is described as well. The effect of several turbulence modelling choices such as the effect of turbulence spatial statistical inhomogeneity and anisotropy are also described in that chapter. Industry-suitable methodologies for broadband noise are usually two-dimensional due to the high computational cost and complexity increase of three-dimensional simulations. The effect of several assumptions regarding the modelling of three-dimensionality is assessed in Chapter 5. Several three-dimensional models of increasing cost and complexity are evaluated. It is shown that a quasi-three-dimensional model proposed in this work, orders of magnitude computationally more economic than 3D models, yields 3Drepresentative results. The methodology has been applied for the prediction of the broadband noise footprint of the ACAT1 fan rig, extensively tested in an experimental campaign in the context of the TurboNoiseBB EU project. The methodology has been validated against detailed acoustic and aerodynamic measurements, with a special focus on the fan acoustic shielding produced on the noise forward arc. These results are presented in Chapter 6. The methodology provides further insight into the underlying physics of fan blockage at highspeed operating points. Moreover, the core stators are identified as an important upstream noise source at these conditions due to the strong acoustic blockage suffered by the OGV. Finally, the methodology has been applied for the prediction of broadband noise generated by a turbine airfoil in Chapter 7. The suitability of flat-plate state-of-the-art methodologies has been assessed in that chapter. The airfoil geometry significantly impacts the spectral shape of the broadband noise spectra. However, the overall sound pressure level can be fairly well predicted with flat plate methodologies. The impact of the blade thickness and camber featured by turbine airfoils has been separately evaluated. Camber increases the noise at low frequencies, whereas thickness decreases it at high frequencies. Alternatively, several noise scalings have been found that allow predicting the effect of changing the operating point on the spectra. Several novel results are presented in this thesis regarding the impact of airfoil geometry, fan acoustic blockage, and three-dimensional effects on broadband noise. The methodology has been successfully validated against experimental data and represents a significant leap compared to state-of-the-art industrial methodologies. This approach, being computationally affordable in an industrial context, is postulated as a promising alternative to be used by aeroengine manufacturers in the design-phase ----------RESUMEN---------- El ruido de banda ancha de interacción rotor-estátor (RSI por sus siglas en inglés) es un problema de creciente interés en aviación civil debido al incesante aumento de relación de derivación de los motores turbofan. Esto ha posicionado al fan y a la turbina de baja presión, en particular a su ruido de banda ancha de interacción, entre las mayores fuentes de ruido del avión. Por esta razón, para cumplir la normativa de aviación civil sobre contaminación acústica, cada vez más restrictiva, resultará indispensable reducir el ruido de banda ancha del motor. Para ello es necesario, en primer lugar, desarrollar un profundo entendimiento de esta fuente de ruido. Con este fin, el desarrollo de metodologías de predicción de mayor fidelidad comparado con el estado de arte es clave y es el objeto de esta tesis. Esta tesis presenta una metodología eficiente para predecir el ruido de banda ancha de interacción rotor-estátor. Al contrario que las metodologías industriales del estado del arte, la metodología que aquí se presenta retiene la geometría del perfil aerodinámico. Para ello, la interacción entre la turbulencia, caracterizada mediante simulaciones RANS, y la turbomáquina se resuelve mediante un código industrial que resuelve las ecuaciones de Navier-Stokes linealizadas. La metodología, descrita en el Capítulo 2, puede también modelar problemas multi-etapa. Esta característica es de gran importancia para predecir el apantallamiento acústico producido por el fan y para predecir el ruido de banda ancha de turbinas de baja presión. En esta tesis, las ecuaciones de Navier-Stokes linealizadas se resuelven en el dominio de la frecuencia, debido a la mayor eficiencia estos códigos comparado con los que las resuelven en el dominio del tiempo. Los principios básicos y características de este tipo de códigos se presentan en el Capítulo 3. El modelado de la turbulencia, responsable de la generación de ruido, es clave para predecir el ruido de banda ancha de interacción. Por esta razón, un capítulo completo - Capítulo 4 - se ha dedicado a este fin. Se presentan varios modelos analíticos y se describe la generación de turbulencia sintética caracterizada mediante simulaciones RANS. Por último, también se describe el impacto de varias opciones para modelar la inhomogeneidad estadística espacial y la anisotropía de la turbulencia. Las metodologías industriales para la predicción del ruido de banda ancha suelen estar basadas en hipótesis 2D debido al alto coste computacional de las simulaciones tridimensionales. El impacto de varias hipótesis en relación al modelado de la tridimensionalidad del problema real se analiza en el Capítulo 5. Se proponen varios modelos tridimensionales con coste y complejidad incremental. Se muestra que un modelo cuasi-tridimensional, órdenes de magnitud más económico que los modelos 3D, genera resultados representativos del problema 3D. La metodología ha sido aplicada para la predicción del ruido de banda ancha generado por el fan a escala ACAT1. Este fan ha sido analizado extensamente en una campaña experimental, como parte del proyecto europeo TurboNoiseBB. La metodología ha sido validada frente a medidas aerodinámicas y acústicas detalladas, examinando con especial interés el apantallamiento acústico producido por el fan sobre el ruido aguas arriba. Estos resultados se presentan en el Capítulo 6. La metodología permite obtener un entendimiento superior de la física del apantallamiento acústico del fan en puntos de operación a altas vueltas. Además, los estátores correspondientes al flujo primario son identificados como fuentes importantes de ruido aguas arriba en estas condiciones de operación, debido al fuerte apantallamiento acústico sufrido por los estátores del flujo secundario (OGV). Finalmente, la metodología ha sido aplicada para predecir el ruido de banda ancha generado por un perfil aerodinámico de turbina en el Capítulo 7. La viabilidad de metodologías industriales, que utilizan la simplificación de placa plana, para predecir el ruido de turbinas es analizada en este capítulo. La geometría del perfil impacta de forma notable en el contenido espectral del ruido de banda ancha. Sin embargo, los niveles totales de ruido se predicen relativamente bien con metodologías de placa plana. El impacto del grosor y curvatura del perfil sobre el ruido de banda ancha se ha analizado de forma aislada. La curvatura del perfil incrementa el ruido a baja frecuencia, mientras que el grosor lo reduce a alta frecuencia. Por otra parte, se han encontrado varios escalados para el ruido que permiten predecir la variación del ruido ante cambios de punto de operación. Esta tesis presenta varios resultados novedosos en relación al impacto de la geometría del perfil sobre el ruido de banda ancha, el apantallamiento acústico producido por el fan y los efectos tridimensionales a considerar para predecir el ruido. La metodología se ha validado frente a una gran base de datos experimental y representa un salto cualitativo en comparación con las metodologías industriales. La metodología propuesta, computacionalmente viable en un entorno industrial, se postula como una alternativa prometedora para su uso por parte de los fabricantes de motores turbofan en su fase de diseño.