Numerical modelling of flow-induced noise emitted by control devices

This study explores different numerical approaches for the investigation of the noise emitted by a gas flowing inside a pipeline and perturbed by the presence of a flow-control device. Laws about maximum human noise exposure force industries to cut down the acoustical emissions coming from any possible source, control devices included. The characterization of control valves' noise emission is thus a crucial task for the manufacturers of these devices. This is the motivation that raised up this research on the aero-dynamic noise. The analysis presented in this thesis is made with a numerical approach which is a suitable tool for obtaining information in shorter times and with lower costs than the experimental approach. Numerics is used for the investigation of different aspects of the aero-dynamic noise that are about the physical description of the noise dynamics (generation mechanisms, interaction with the flow and propagation) and about its intensity prediction. The study has been conducted with the industrial purpose to achieve the information of interest in the lowest time. Because of the complexity of the phenomenon, the numerical models and approaches are chosen as the most efficient for collecting only the information of interest. In fact, suitable numerical methods for a complete description of all the aero-acoustic features would have complexity and burden that go far over the industrial resources and return a large amount of uninteresting data. The physical investigation of the noise generation and propagation downstream of an orifice is thus performed thanks to the resolution of a system of Acoustic Perturbation Equations (APE) developed in literature. The noise dynamic within the pipe reveals the nature of the acoustic sources and returns noise prediction along the duct. In particular, the noise prediction 1 meter downstream of the control device plays a relevant role because it is identified by the international standards as the reference measure for the acoustical characterization of a device. The APE system proposed in literature returns a noise description wider than what is sought by valves' manufacturers. An innovative APE system is thus presented as a faster way to collect the information of interest without wasting resources in the simulation of undesired details. This system is tested and its reliability on the noise prediction far from the device is verified. An even faster approach for obtaining estimation about devices' noise emission is based on the application of the prediction procedure described by the international standards that rule the aero-dynamic noise. In this procedure four parameters are identified as the fundamental for the acoustical characterization of a device; valves' manufacturers must provide their values to the customers. Different numerical methods can be used for the evaluation of each of them. In this work the focus is on the application of numerics for the estimation of the valve correction factor for acoustical efficiency $A_{\eta}$ which is the parameter the external noise is most sensitive to. Aero-acoustic models are applied to fluid-dynamic simulation in order to estimate $A_{\eta}$ taking into account its dependency on the flow condition unlike the international standards that provide only constant values for it. A plant for experimental tests on small devices is finally designed in order to collect further data for future analysis on the aero-dynamic noise.

Questo studio analizza diversi approcci numerici per lo studio del rumore emesso da gas all'interno di condotte e perturbato dalla presenza di dispositivi di controllo del flusso. Leggi sulle massime emissioni a cui l'uomo può essere esposto obbligano le industrie a ridurre le emissioni acustiche associate ad ogni possibile fonte, inclusi i dispositivi di controllo. La caratterizzazione delle emissioni delle valvole è pertanto un obiettivo sensibile per i produttori di questi dispositivi. Questa è la motivazione che ha alimentato questa ricerca sul rumore aerodinamico. Le analisi presentate in questa tesi sono svolto con approccio numerico, che si rivela essere uno strumento adatto per ottenere informazioni utili in tempi più brevi e con costi minori rispetto ad un approccio sperimentale. La numerica viene utilizzata per lo studio di diversi aspetti del rumore aerodinamico che riguardano sia la descrizione fisica dell'evoluzione del rumore (meccanismi di generazione, interazione con il flusso e propogazione) sia la previsione della sua intensità. Lo studio è stato portato avanti in un'ottica industriale che mira a ottenere le informazioni di interesse nel più breve tempo possibile. A causa della complissità del fenomeno, i modelli e gli approcci numerici sono scelti tra i più efficienti per raccogliere solamente le informazioni necessarie. Infatti, l'utilizzo di metodi numeri adatti a fornire una descrizione completa di tutti gli aspetti aeroacustici avrebbe una complessità e un onere ben al di là delle potenzialità industriali e restituirebbe una grande quantità di dati inutili. L'investigazione fisica della generazione del rumore e della sua propagazione a valle di un orifizio è quindi svolta grazie alla risoluzione di un sistema di Acoustic Perturbation Equations (APE) sviluppato in litteratura. La dinamica del rumore all'interno del tubo rivela la natura delle sorgenti acustiche e restituisce la previsione del rumore lungo la condotta. In particolare, la previsione del rumore 1 metro a valle del dispositivo di controllo gioca un ruolo chiave poichè essa viene identificata dalle normative internazionali come la misura di riferimento per la caratterizzazione acustica di un dispositivo. Il sistema di APE proposto in letteratura restituisce una descrizione del rumore più ampia di quanto cercato dai produttori di valvole. Un nuovo sistema di APE viene quindi presentato come alternativa per ottenere in maniera più veloce le informazioni di interesse evitando lo spreco di risorse per la simulazione di dettagli non richiesti. Il sistemo è quindi testato e la sua validità nella predizione del rumore lontano dal dispositivo è verificata. Un approccio ancora più veloce per ottenere una stima dell'emissione acustica dei dispositivi è basato sull'applicazione della procedura per la previsione del rumore descritta dalle normative internazionali che regolano il rumore aerodinamico. In questa procedura sono identificati quattro parametri come quelli fondamentali per la caratterizzazione acustica di un dispostivi; i produttori di valvole sono obbligati a fornire questi valori ai loro clienti. Diversi metodi numerici possono essere utilizzati per il calcolo di ognuno di loro. In questo studio ci si è concentrati sull'applicazione della numerica per la stima del parametro $A_{\eta}$ detto fattore di correzione per l'efficienza acustica, che è il parametero che più influenza la stima del rumore esterno. I modelli aeroacustici sono applicati agli output delle simulazioni fluidodinamiche con lo scopo di stimare $A_{\eta}$ tenendo in considerazione la sua dipendenza rispetto alle condizioni di flusso, cosa che non accade nelle normative che ne forniscono solamente dei valori costanti. Un impianto per effettuare test sperimentali su piccoli dispositivi è infine stato progettato con lo scopo di raccogliere ulteriori dati per le analisi future sul rumore aerodinamico.