مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

پیش‌بینی نویز تونال ایرفویل اس‌دی7037 با رهیافت شبیه‌سازی سه‌بعدی گردابه‌های بزرگ

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان
گروه مهندسی مکانیک، دانشکده مهندسی، دانشگاه تهران، تهران، ایران
چکیده
در این مقاله سازوکارهای تولید نویز در اعداد رینولدز و زوایای حمله مختلف، مورد مطالعه قرار گرفته‌اند. بخش قابل توجهی از نویز ایرفویل را در رینولدزهای پایین، نویز تونال تشکیل می‌دهد. بررسی علت وقوع این پدیده و تاثیر عدد رینولدز و زاویه حمله در نویز تونال، چالش اساسی در آیروآکوستیک است. بنابراین شبیه‌سازی عددی سه‌بعدی با روش شبیه‌سازی گردابه‌های بزرگ برای میدان جریان ایرفویل اس‌دی۷۰۳۷ انجام شده و انتشار صوت توسط آنالوژی فاکس ویلیامز هاوکینگز محاسبه شده است. نتایج عددی با نتایج تجربی موجود اعتبارسنجی شده‌اند. در زوایای حمله پایین علاوه بر اوج غالب نویز تونال، اوج‌های گسسته نیز در طیف فرکانس مشاهده می‌شوند. افزایش عدد رینولدز و زاویه حمله تعداد اوج‌های گسسته را کاهش می‌دهد و در زوایای حمله بالاتر اوج غالب نیز از بین می‌رود. بررسی فیزیک جریان نشان می‌دهد که حضور لایه‌مرزی آرام در بخش عمده‌ای از سطح مکش، امواج صوتی تولیدشده در جریان دنباله‌ای ایرفویل را تقویت می‌کند و این مکانیزم مسئول اوج غالب است. تقویت امواج تولمن شلیختینگ توسط جدایش آرام جریان در انتهای سطح مکش ایرفویل عامل تولید اوج‌های گسسته در طیف فرکانس است و زمانی که نیمه انتهایی سطح مکش در محدوده گذار قرار می‌گیرد اوج‌های گسسته در طیف فرکانس از بین می‌روند. برای بررسی دقیق‌تر این موضوع، طول مشخصه روابط نیمه‌تجربی بروکس، پوپ و ماروکولینی (BPM) که به صورت رایج، ضخامت لایه‌مرزی در سطح فشار است و با ضخامت لایه مرزی سطح مکش جایگزین می‌شود. نتایج حاصل فرکانس اوج غالب و روند کلی سطح فشار صوت را بسیار بهتر نسبت به حالت رایج پیش‌بینی می‌کنند.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Tonal Noise prediction of SD7037 Airfoil using 3D Large Eddy Simulation Approach

نویسندگان English

M. Sangbori
A. Nejat
K. Gharali
Mechanical Engineering School, College of Engineering, University of Tehran, Tehran, Iran
چکیده English

In this article, noise generation mechanisms are studied at different Reynolds numbers and angles of attack. Tonal noise is the major part of airfoil noise at low Reynolds numbers. Studying the tonal noise and the effects of Reynolds number and angle of attack is challenging in aeroacoustics. 3D numerical simulation is conducted using the large eddy simulation method on SD7037 airfoil. Sound propagation is computed using the Ffowcs Williams-Hawkings (FW-H) analogy. The numerical results are validated using available experimental results. Some discrete peaks and a dominant peak exist in frequency spectra at low angles of attack. Increase of Reynolds number and the angle of attack decreases the number of discrete peaks and at high angles of attack and the dominant peak is diminished too. Studying the flow features shows that when a laminar boundary layer covers a vast area of the suction side, it can amplify acoustic waves that are generated in wake of the airfoil and this mechanism causes a dominant peak in the acoustic spectrum. Amplifying Tollmien-Schlichting waves by shear layer in laminar separation at suction side cause the discrete peaks and when a transition occurs in the airfoil suction side, discrete peaks are diminished. In the original semi-empirical Brooks, Pope and Marcolini (BPM) formulation, the boundary layer thickness of the pressure side is usually used as the length scale and it is replaced by the suction side boundary layer thickness. The results predict the frequency and amplitude of tonal noise successfully.

کلیدواژه‌ها English

Tonal Noise
Aeroacoustics
Ffowcs Williams-Hawkings Analogy
Large Eddy Simulation
BPM Semi-Experimental Relationships
Pedersen E, Persson Waye K. Wind turbine noise, annoyance and self-reported health and well-being in different living environments. Occupational and Environmental Medicine. 2007;64(7):480-486. [Link] [DOI:10.1136/oem.2006.031039]
Rogers AL, Manwell JF, Wright S. Wind turbine acoustic noise. Renewable Energy Research Laboratory, Amherst: University of Massachusetts. 2006. [Link]
Brooks TF, Pope DS, Marcolini MA. Airfoil self-noise and prediction. Technical Report. Washington: NASA; July 1989. Report No: NASA-RP-1218, L-16528. [Link]
Paterson RW, Vogt PG, Fink MR, Munch CL. Vortex noise of isolated airfoils. Journal of Aircraft. 1973;10(5):296-302. [Link] [DOI:10.2514/3.60229]
Tam CKW. Discrete tones of isolated airfoils. The Journal of the Acoustical Society of America. 1974;55(6):10.1121. [Link] [DOI:10.1121/1.1914682]
Fink MR. Prediction of airfoil tone frequencies. Journal of Aircraft. 1975;12(2):118-120. [Link] [DOI:10.2514/3.44421]
Arbey H, Bataille J. Noise generated by airfoil profiles placed in a uniform laminar flow. Journal of Fluid Mechanics. 1983;134:33-47. [Link] [DOI:10.1017/S0022112083003201]
Lowson M, Fiddes S, Nash E. Laminar boundary layer aero-acoustic instabilities. 32nd Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, 10-13 January 1994, Reno, NV, USA. Reston: AIAA; 1994. [Link] [DOI:10.2514/6.1994-358]
McAlpine A, Nash EC, Lowson MV. On the generation of discrete frequency tones by the flow around an aerofoil. Journal of Sound and Vibration. 1999;222(5):753-779. [Link] [DOI:10.1006/jsvi.1998.2085]
Nash E, Lowson M. Noise due to boundary layer instabilities. CEAS/AIAA Aeroacoustic Conference. 1995;124:875-884. [Link]
Nash EC, Lowson MV, McAlpine A. Boundary-layer instability noise on aerofoils. Journal of Fluid Mechanics. 1999;382:27-61. [Link] [DOI:10.1017/S002211209800367X]
Arcondoulis E, Doolan C, Zander AC. Airfoil noise measurements at various angles of attack and low Reynolds number. Proceeding of ACOUSTICS 23-25 November 2009, Adelaide, Australia. Unknown Publisher; 2009. [Link]
Desquesnes G, Terracol M, Sagaut P. Numerical investigation of the tone noise mechanism over laminar airfoils. Journal of Fluid Mechanics. 2007;591:155-182. [Link] [DOI:10.1017/S0022112007007896]
Akishita S. Tone-like noise from an isolated two dimensional airfoil. 10th Aeroacoustics Conference, 9-11 July 1986, Seattle, WA, USA. Reston: AIAA; 2012. [Link] [DOI:10.2514/6.1986-1947]
Ikeda T, Atobe T, Fujimoto D, Inasawa A, Asai M. Self-noise effects on aerodynamics of cambered airfoils at low Reynolds number. AIAA Journal. 2015;53(8):2256-2269. [Link] [DOI:10.2514/1.J053664]
Pröbsting S, Scarano F. Experimental investigation of isolated aerofoil noise. Proceeding of 21st International Congress on Sound and Vibration, 2014. Unknown Publisher; 2014. [Link]
Sangbori M, Gharali K, Nejat A. LES modeling of a static and dynamic airfoil with the noise study of the static case. Proceeding of 6th International Conference and Exhibition on Clean Energy 2017. Unknown Publisher; 2017. [Link]
Williams JF, Hawkings DL. Sound generation by turbulence and surfaces in arbitrary motion. Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 1969;264(1151):321-342. [Link] [DOI:10.1098/rsta.1969.0031]
Wolf WR, Lele SK. Trailing-edge noise predictions using compressible large-eddy simulation and acoustic analogy. AIAA Journal. 2012;50(11):2423-2434. [Link] [DOI:10.2514/1.J051638]
Shen WZ, Zhu W, Sørensen JN. Aeroacoustic computations for turbulent airfoil flows. AIAA Journal. 2009;47(6):1518-1527. [Link] [DOI:10.2514/1.40399]
Ghasemian M, Nejat A. Aerodynamic Noise computation of the flow field around NACA 0012 airfoil using large eddy simulation and acoustic analogy. Journal of Computational Applied Mechanics. 2015;46(1):41-50. [Link]
Ghasemian M, Nejat A. Aero-acoustics prediction of a vertical axis wind turbine using Large Eddy Simulation and acoustic analogy. Energy. 2015;88:711-717. [Link] [DOI:10.1016/j.energy.2015.05.098]
Ghasemian M, Nejat A. Aerodynamic noise prediction of a horizontal axis wind turbine using improved delayed detached eddy simulation and acoustic analogy. Energy Conversion and Management. 2015;99:210-220. [Link] [DOI:10.1016/j.enconman.2015.04.011]
Kaviani HR, Nejat A. Aerodynamic noise prediction of a MW-class HAWT using shear wind profile. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 2017;168:164-176. [Link] [DOI:10.1016/j.jweia.2017.06.003]
Kaviani HR, Nejat A. Aeroacoustic and aerodynamic optimization of a MW class HAWT using MOPSO algorithm. Energy. 2017;140 Pt 1:1198-1215. [Link] [DOI:10.1016/j.energy.2017.08.011]
Di Francescantonio P. A new boundary integral formulation for the prediction of sound radiation. Journal of Sound and Vibration. 1997;202(4):491-509. [Link] [DOI:10.1006/jsvi.1996.0843]
Pope SB, Pope Stephen B. Turbulent flows. Cambridge: Cambridge University Press; 2000. [Link] [DOI:10.1017/CBO9780511840531]
Lilly DK. A proposed modification of the Germano subgrid‐scale closure method. Physics of Fluids A: Fluid Dynamics. 1992;4(3):633-635. [Link] [DOI:10.1063/1.858280]
Farassat F, Succi GP. The prediction of helicopter rotor discrete frequency noise. 38th proceeding of American Helicopter Society, Annual Forum, May 4-7, 1982, Anaheim, CA. Washington: American Helicopter Society; 1982. [Link]
Lockard D, Casper J. Permeable surface corrections for Ffowcs Williams and Hawkings integrals. 11th AIAA/CEAS Aeroacoustics Conference, 23-25 May 2005, Monterey, California. Reston: AIAA; 2012. [Link] [DOI:10.2514/6.2005-2995]
Tam N. An aeroacoustic study of airfoil self-noise for wind turbine applications [Dissertation]. Ontario: University of Waterloo; 2017. [Link]
Gharali K. Pitching airfoil study and freestream effects for wind turbine applications [Dissertation]. Ontario: University of Waterloo; 2013. [Link]
Pope SB. Ten questions concerning the large-eddy simulation of turbulent flows. New Journal of Physics. 2004;6:35. [Link] [DOI:10.1088/1367-2630/6/1/035]
Coussement A, Gicquel O, Degrez G. Large eddy simulation of a pulsed jet in cross-flow. Journal of Fluid Mechanics. 2012;(695):1-34. [Link] [DOI:10.1017/jfm.2011.539]
Gharali K, Johnson DA. Dynamic stall simulation of a pitching airfoil under unsteady freestream velocity. Journal of Fluids and Structures. 2013;42:228-244. [Link] [DOI:10.1016/j.jfluidstructs.2013.05.005]
Amiet RK. Acoustic radiation from an airfoil in a turbulent stream. Journal of Sound and Vibration. 1975;41(4):407-420 [Link] [DOI:10.1016/S0022-460X(75)80105-2]