Predicting noise spectrum of a small drone rotor in a confined environment : a Lattice Boltzmann - VLES analysis

The objective of this thesis is to showcase the predictive cababilities of SIMULIA PowerFLOW®, a Lattice-Boltzmann/Very-Large-Eddy-Simulation CFD solver, in simulating the flow past a small drone rotor blade in a transitional state, without the implementation of any turbulence triggering system, whether numerical or physical. In particular, the test section walls of TU-Delft’s A-Tunnel have been appropriately simulated, in order to investigate how the flow recirculation affects the aerodynamic noise spectrum of the propeller, and benchmark the results against the experimental studies performed in Delft University of Technology and free-field simulations, in order to resolve the inconsistencies found in previous studies. A 2-bladed propeller is considered, operated at 4000 RPM for two different advance ratios: J=0 and J=0.6. The experimentally observed Laminar Separation Bubble was well predicted by simulations, which proved it’s low dependency on the confinement effects. The numerical results are in excellent agreement with the loading, noise and oil-flow experimental measurements, particularly for the confined simulations, as most of the previous discrepancies with experiments were completely resolved. This study demonstrates the capability of the PowerFLOW® model to predict complex boundary layer transitional phenomena such as laminar separation, transition and reattachment, as well as tonal and broadband noise radiation.

L’obiettivo di questa tesi è mostrare le capacità predittive di PowerFLOW® by SIMULIA, un risolutore CFD basato su un metodo Lattice-Boltzmann/Very-Large-Eddy-Simulation, nel simulare il flusso passante una pala di rotore di un piccolo drone in uno stato di tran- sizione, senza l’implementazione di alcun sistema di triggering di turbolenza dello strato limite, sia numerico che fisico. In particolare, le pareti della test section dell’ A-Tunnel di Delft sono state opportunamente simulate, per indagare come il ricircolo del flusso influisca sullo spettro associato al rumore aerodinamico dell’elica. I risultati sono stati confrontati con gli studi sperimentali eseguiti presso la Delft University of Technology e simulazioni in "free-field", al fine di risolvere le incongruenze riscontrate negli studi precedenti. Viene considerata una elica a 2 pale, operata a 4000 RPM per due diversi rapporti di avanzamento: J=0 e J=0,6. La bolla di separazione laminare osservata sperimentalmente è stata ben modellata dalle simulazioni, dimostrando la sua scarsa dipendenza dagli effetti di ricircolo. I risultati numerici sono in ottimo accordo con le misurazioni sperimentali di carico, rumore e "oil-flow", in particolare per le simulazioni con ricircolo, avendo completamente risolto alcune discrepanze evidenziate da studi precedenti. Questo studio dimostra le capacità di PowerFLOW® nel modellare complessi fenomeni di transizione dello strato limite, come separazione laminare, transizione e riattacco, così come la radiazione di rumore tonale e broadband