Aeroacoustics of UAM, a preliminary study using U-RANS

Urban air mobility (UAM) is a revolutionary mode of transportation that optimizes routes and shortens travel duration. It can be realized with innovative eVTOLs: electric vehicles, capable of taking off and landing vertically. Due to its increased flexibility, this mode of transportation can decongest metropolitan routes in critical areas with high traffic density. In these urban environments is crucial study and predict the noise produced by these new vehicles, in order to obtain more silent aircrafts. To do research, scientists use experiments in wind tunnel but mostly they use CFD(Computational Fluid Dynamics). In this context is inserted this study. Indeed in this thesis we will employs CFD simulation in order to study the 2D flow around an airfoil NACA 0012 in the wake of a cylindrical rod. This is a standard configuration to study aeroacoustics; in this thesis we will make the preliminary study of the aerodynamics of the problem and we will apply U-RANS(Unsteady Averaged Reynolds Navier Stokes equations) in order to verify if the aerodynamic of the phenomena can be study with these equations. This possibility would be of great importance to study aeroaocustics of UAV that is a very complicated problem and require simulations characterized by complex geometries difficulty solvable in acceptable times using methods like LES. In the first chapter, after an historical analysis about UAM and UAV, the problem of noise produced by drones and UAV in urban environments is introduced. In the second section, is introduced the theory on which CFD is based: governing equations, turbulence models and grid generation. In the third part, after an introduction on the theoretical basis of aeroacoustics, is inserted a review of the reference solutions: studies on the same configuration of this thesis using experiments, LES(Large Eddy Simulation) and DES(Detached Eddy Simulations). Finally, we present our results and make a comparison with reference solutions; we also introduced a new configuration with the airfoil rotated never studied before.

UAM(Mobilità aerea urbana) è un sistema di trasporti rivoluzionario che è in grado di ottimizzare i tragitti e ridurre la durata dei viaggi. Questo nuovo sistema di trasporti può essere realizzato grazie a innovativi eVTOL, velivoli elettrici in grado di decollare/atterrare verticalmente. Grazie alla loro grande adattabilità a diverse situazioni e a diversi tipologie di trasposrto, questo sistema in futuro potrà essere utile per decongestionare le strade in aeree critiche(metropoli) con densità di traffico molto elevata. In questi ambienti urbani è cruciale studiare e capire i fenomeni alla base della generazione di rumore da parte di questi velivoli; in questo modo, essendo in grado di predire il rumore generato, si potrà essere in grado di progettare e realizzare velivoli sempre più silenziosi. Per la ricerca in questo ambito, gli scienziati utilizzano esperimenti nelle gallerie del vento ma soprattutto simulazioni fluidodinamiche(CFD). In questo contesto si inserisce questo studio. Infatti in questa tesi si effettueranno delle simulazioni CFD per studiare il campo di moto 2D attorno a un profilo alare NACA 0012 nella scia di una trave cilindrica. Questa è una classica configurazione per studiare l'aeroacustica; in questa tesi ci si occuperà dello studio preliminare dell'aerodinamica del fenomeno utilizzano le U-RANS(equazioni di Navier Stokes mediate instazionarie) per verificare se si possa utilizzare queste equazioni per studiare correttamente il campo di moto. Questa possibilità sarebbe di primaria importanza nello studio dell'areoacustica di droni e UAV; esso infatti è un problema complesso e richiede simulazioni caratterizzate da mesh particolari e che sarebbero difficilmente risolvibili in tempi accettabili con altri metodi, per esempio con le LES. Nel primo capitolo, dopo un analisi storica dell'UAM e degli UAV, verrà introdotto il problema del rumore prodotto da droni e velivoli senza pilota negli ambienti urbani così come si studia oggi. Nella seconda sezione, viene introdotta e spiegata la teoria alla base delle simulazioni CFD: equazioni che governano il fenomeno, modelli di turbolenza e generazione di griglie. Nella terza parte, dopo una breve introduzione sulle basi teoriche dell'aeroacustica, è stata inserita una breve analisi delle soluzioni di riferimento: studi sulla stessa configurazione di questa tesi, fatte utilizzando esperimenti in galleria del vento, o simulazioni con altri metodi (LES e DES). Infine, verranno presentati i risultati ottenuti e verrà fatto un confronto con le soluzioni di riferimento; verrà inoltrre studiata una nuova configurazione (con il profilo ruotato) che non è mai stata studiata prima.