Boundary layer effects on acoustic liners for turbofan engines: from experimental methods to optimization techniques

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Spillere, André Mateus Netto
Data de Publicação: 2022
Tipo de documento: Tese
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Institucional da UFSC
Texto Completo: https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/234748
Resumo: Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2022.
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spelling Boundary layer effects on acoustic liners for turbofan engines: from experimental methods to optimization techniquesEngenharia mecânicaAeronavesAcústicaTese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2022.O ruído aeronáutico foi consideravelmente reduzido no último meio século em parte devido ao uso de liners acústicos nas paredes internas da nacele de motores turbofan. Novas tendências de motores aeronáuticos devem reduzir o espaço disponível para liners, o que motiva a busca por geometrias otimizadas considerando condições de operação típicas de decolagem e pouso. Em termos de modelagem em acústica de dutos, liners são representados por uma condição de contorno de impedância localmente reativa, sendo função de sua geometria e parâmetros do escoamento. Tal condição é usada não apenas em modelos numéricos do campo acústico em motores turbofan, mas também em métodos experimentais para caracterização de liners chamados de métodos de edução de impedância. Este último recebeu atenção crescente em anos recentes devido à aparente dependência da impedância com a direção de propagação acústica em relação ao escoamento médio - uma violação direta da hipótese de localmente reativo. Tem-se argumentado que a condição de contorno de Ingard-Myers, a qual considera efeitos de refração de uma camada limite infinitamente fina sobre uma superfície tratada, é a principal razão de tal discrepância, enquanto a forte desuniformidade do escoamento em bancadas de teste experimentais é geralmente ignorada. De maneira similar, tem-se mostrado que a inclusão de uma camada limite pequena, porém finita, nas paredes internas da nacele pode ter um impacto significativo na atenuação proporcionada pelo liner. Com isto em mente, este trabalho é focado em efeitos de camada limite em liners acústicos, e pode ser dividido em duas partes. Primeiramente, a otimização de liners em motores turbofan é considerada por meio de expressões analíticas simples e algoritmos iterativos. O primeiro está relacionado ao conceito de pontos excepcionais, também conhecido como impedância de Cremer, enquanto o segundo inclui o espalhamento modal nas bordas do liner e o conteúdo de energia modal no plano da fonte. Em ambos os casos, efeitos de camada limite estão presentes por meio da condição de contorno de Brambley, de tal forma que as equações governantes para escoamento uniforme continuam válidas. Perfis de camada limite laminares e turbulentas são comparadas em termos de impedância ótima e máxima perda por transmissão de potência sonora. Os resultados indicam que os efeitos de camada limite são particularmente importantes na condição de decolagem, incluindo a escolha de perfil de camada limite, e possuem impacto mínimo na condição de pouso. Limitações da impedância de Cremer também são investigadas, e é mostrado que a impedância ótima é fortemente dependente do comprimento tratado. A segunda parte deste trabalho é focada nas técnicas de edução de impedância, e mais especificamente nos modelos de propagação acústica para bancadas de teste experimentais. Com esse propósito, condições de contorno recentemente propostas para liners acústicos com graus de liberdade adicionais são consideradas, as quais removem a dependência da impedância com a direção de propagação acústica. Entretanto, demonstra-se que a capacidade preditiva de tais condições de contorno é um tanto limitada, e questões relativas à sua acurácia são levantadas. Alternativamente, uma representação explícita do perfil de velocidade tridimensional é considerada nas equações governantes, e a dependência da impedância com a direção de propagação é em grande parte reduzida. Desta forma, a importância de incluir a camada limite em estudos envolvendo liners acústicos é demonstrada, tanto de maneira experimental quanto numérica.Abstract: Aircraft noise has been considerably reduced over the last half century in part due to the use of acoustic liners at the nacelle internal walls of turbofan engines. New trends in aircraft engines are expected to reduce the available space for liners, which motivates the search for optimised geometries considering typical operating conditions at take-off and approach. In terms of liner modelling in duct acoustics, these are represented by a locally reacting impedance boundary condition, which is a function of its geometry and flow parameters. Such condition is used not only in numerical models of the acoustic field in turbofan engines, but also in experimental methods for liner characterisation called impedance eduction techniques. The latter has received increasing attention over recent years due to the apparent impedance dependence on the acoustic propagation direction relative to the mean flow -- a direct violation of the locally reacting hypothesis. It has been argued that the Ingard--Myers boundary condition, which accounts for refractions effects of an infinitely thin boundary layer over a lined wall, is the main cause of such discrepancy, whereas the strong non-uniformity of flows in experimental test rigs is usually neglected. Similarly, it has been shown that accounting for a small but finite boundary layer at the nacelle internal walls may have a significant impact on liner attenuation. With this in mind, this work is focused on boundary layer effects on acoustic liners and can be divided in two parts. First, liner optimisation in turbofan engines is considered by means of simple analytical expressions and iterative algorithms. The former is related to the concept of exceptional points, also known as Cremer's impedance, whereas the latter includes modal scattering at the liner edges and modal energy content at the source plane using a mode-matching method. In both cases, boundary layer effects are present by means of Brambley boundary condition, such that the governing equations for uniform flows remain valid. Laminar and turbulent boundary layer profiles are compared in terms of optimal impedance and maximum sound power transmission loss. Results indicate that boundary layer effects are particularly important at take-off condition, including the choice of boundary layer profile, and a minimal impact is observed at approach condition. Limitations of Cremer's impedance are also investigated, and it is shown that the optimal impedance is strongly dependent on the lined length. The second part of this work is focused on impedance eduction techniques, and more specifically on acoustic propagation models for experimental test rigs. To this end, recently proposed boundary conditions for acoustic liners with additional degrees of freedom are considered, which remove the impedance dependence on the acoustic propagation direction. However, it is shown that the predictive capability of such boundary conditions is somewhat limited, and questions are raised regarding their correctness. Alternatively, an explicit representation of the three-dimensional flow profile is taken into account in the governing equations, and the impedance dependence on the propagation direction is greatly reduced. Therefore, the importance of including boundary layers in studies involving acoustic liners is demonstrated, both experimentally and numerically.Cordioli, Júlio ApolinárioUniversidade Federal de Santa CatarinaSpillere, André Mateus Netto2022-05-19T14:47:48Z2022-05-19T14:47:48Z2022info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesis214 p.| il., gráfs.application/pdf374544https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/234748engreponame:Repositório Institucional da UFSCinstname:Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)instacron:UFSCinfo:eu-repo/semantics/openAccess2022-05-19T14:47:48Zoai:repositorio.ufsc.br:123456789/234748Repositório InstitucionalPUBhttp://150.162.242.35/oai/requestopendoar:23732022-05-19T14:47:48Repositório Institucional da UFSC - Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)false
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