Investigation into the impact of short aero engine inlets on acoustic attenuation and far-field noise

Aero engine duct acoustic panels provide a vital contribution to the minimization of aircraft noise levels. However, given the current race to reduce fuel consumption, modern aero engine nacelles have larger diameters (D), for the enhanced fuel efficiency from increased by-pass ratios, and shorter lined lengths (L), for reduced nacelle weights. This shift in duct architecture presents a significant challenge for aircraft noise levels, given that the noise attenuation of a duct liner may be scaled on L/D to a first order. The current configurations of civil airliners have a L/D ratio between 0.35 and 0.5, while for the future Rolls-Royce Ultrafan engine it is expected to be around 0.25. This limits space for panel installation, requiring careful study to ensure sufficient noise absorption and to meet the aircraft noise certification requirements. This thesis seeks to address these noise concerns by combining analysis of experimentally collected inlet noise data for varying L/D (acquired for three different configurations, hard-walled duct with no treatment and with a panel, for a baseline and a reduced L/D) with modeling, analytically (using a MATLAB® code) and numerically (using COMSOL Multiphysics® software). The goals are to assess the efficacy of the L/D scaling, the ensuing noise penalty, and to investigate the potential for improved inlet attenuation using a refined impedance target focusing on the key design point for these novel inlet architectures. The developed models also include the effects of boundary layer refraction, typically not considered in previous studies. At the time of writing, it is believed that this work is the first study of the acoustic implications arising from the adoption of a reduced L/D duct which includes the use of a realistic fan source modal content and the impact of refraction from the inlet boundary layer. Furthermore, it is the first study to seek to identify the optimum acoustic impedance of the dominant rotor-stator source which is the key contributor to aircraft EPNL for shorter inlets.

I pannelli fonoassorbenti installati nei condotti di inlet dei motori aeronautici sono fondamentali per minimizzare i livelli di rumore degli aeromobili. Tuttavia, data la corsa attuale per ridurre il consumo di carburante, le moderne nacelle presentano diametri più grandi (D), per una maggiore efficienza legata a più elevati rapporti di by-pass, e lunghezze più corte (L), per ridurne il peso. Questa modifica nell’architettura del condotto rappresenta una sfida significativa per i livelli di rumore degli aeromobili, considerando che, in prima approssimazione, l’attenuazione del rumore può essere scalata come L/D. Le configurazioni attuali degli aerei di linea hanno un rapporto L/D compreso tra 0.35 e 0.5, mentre per il futuro motore Rolls-Royce Ultrafan ci si aspetta un valore di circa 0.25. Ciò limita lo spazio per l’installazione dei pannelli, richiedendo uno studio accurato per garantire un assorbimento del rumore tale da soddisfare i requisiti di certificazione richiesti da normativa. Il presente lavoro combina l’analisi di dati sperimentali (acquisiti per tre diverse configurazioni: condotto non trattato e con pannello fonoassorbente installato, per un valore tradizionale e ridotto di L/D), con la modellazione, sia analitica (con un codice MATLAB®) che numerica (utilizzando il software COMSOL Multiphysics®). Gli obiettivi sono valutare l’efficacia della scala L/D e la conseguente perdita di attenuazione, e investigare il potenziale per un miglioramento dell’efficacia del pannello ricercando un valore di impedenza acustica ottimale. I modelli sviluppati includono gli effetti della rifrazione dello strato limite, tipicamente non considerati in studi precedenti. Al momento della stesura, si ritiene che questo lavoro sia il primo studio sulle implicazioni acustiche derivanti da un ridotto L/D che includa un contenuto modale realistico, misurato al fan, e l’impatto dello strato limite. Inoltre, è il primo studio volto all’identificazione di un’impedenza acustica ottimale a partire dalla sorgente di rumore dominante (rotore-statore), contributo chiave per il calcolo dell’EPNL di nacelle a ridotto L/D.