CFD study of aerodynamics inputs for engine fan broadband noise

This MSc thesis presents a numerical study on the broadband noise from the interaction of the fan wake and Outlet Guide Vanes (OGV). This source of broadband noise is considered to have a major contribution in modern turbofan engines, and in particular during the landing phase. The present work focuses on the broadband noise prediction of a simplified fan-OGV configuration: the NASA Source Diagnostic Test (SDT) for which aerodynamic and acoustic experimental data are available at various rotation speeds. The objective of this thesis is twofold. Firstly, four different Computational Fluid Dynamics (CFD) configurations have been tested in order to reproduce the correct aerodynamic parameters at the boundaries of the computational domain, and accurate fan wake statistics at the leading edge of the OGV. The fan wake statistics are important, since they are required inputs for the prediction of broadband noise from the engine. Secondly, aerodynamic data are used as an input in a simplified analytical model (Amiet’s model) for the prediction of fan wake-OGV interaction noise. Different methods to compute the wake turbulence from the CFD simulation have been tested to assess their influence on the noise predictions. Furthermore, an extrapolation method has been used to predict the variables beyond the mixing plane and to estimate the fan wake statistics at the leading edge of the OGV. A CFD setup has been retained due to its increased performance when compared to NASA CFD data and operating point. The fan wake statistics are reasonably well predicted and the noise results are consistent with experimental measurements from NASA. However, the sound power level is significantly underestimated at higher speed. The wake propagation allows to reevaluate the acoustic response by minimizing the effects of the mixing plane in fan-OGV configurations.

Questa tesi di laurea presenta uno studio numerico sul rumore a banda larga derivante dall'interazione tra la scia della ventola e le Guide di uscita (OGV). Si ritiene che questa fonte di rumore a banda larga abbia un importante contributo nei moderni motori turbofan, in particolare durante la fase di atterraggio. Il presente lavoro si concentra sulla previsione del rumore a banda larga di una configurazione semplificata di fan-OGV: il NASA Source Diagnostic Test (SDT) per il quale sono disponibili dati sperimentali aerodinamici e acustici a varie velocità di rotazione. L'obiettivo di questa tesi è duplice. Innanzitutto, sono state testate quattro diverse configurazioni di Computational Fluid Dynamics (CFD) al fine di riprodurre i corretti parametri aerodinamici ai confini del dominio computazionale e accurate statistiche sulla ventola all'avanguardia del OGV. Le statistiche sulla ventola sono importanti, dal momento che sono necessari input per la previsione del rumore a banda larga dal motore. In secondo luogo, i dati aerodinamici vengono utilizzati come input in un modello analitico semplificato (modello di Amiet) per la previsione del rumore di interazione OGV della ventola. Diversi metodi per calcolare la turbolenza della veglia dalla simulazione CFD sono stati testati per valutare la loro influenza sulle previsioni del rumore. Inoltre, è stato utilizzato un metodo di estrapolazione per predire le variabili oltre il piano di miscelazione e per stimare le statistiche di scia della ventola sul bordo anteriore dell'OGV. Una configurazione CFD è stata mantenuta a causa del suo aumento delle prestazioni rispetto ai dati CFD della NASA e al punto operativo. Le statistiche sulla ventola sono ragionevolmente ben previste e i risultati del rumore sono coerenti con le misurazioni sperimentali della NASA. Tuttavia, il livello di potenza del suono è significativamente sottostimato a velocità più elevata. La propagazione della scia consente di rivalutare la risposta acustica riducendo al minimo gli effetti del piano di miscelazione nelle configurazioni di fan-OGV.