Impact of propeller elasticity on tonal noise emission using a mid-fidelity approach

In the field of small scale propeller for Urbar Air Mobility (UAM) applications, the aim of this work is to analyse the impact of the blade flexibility on the noise emission. The fluid-interaction problem is faced coupling a midfidelity solver named DUST for the fluid domain and the structural solver Mbdyn, coupled via preCICE library. Vortex lattice (VL) elements are used to represent the physical body in the aerodynamic domain. This type of element performs better than panels and has the additional potential of accounting for viscous effects. The acoustic input is generated via DUST and partially modified to retrieve information from the full shape of the body, as VL elements only account for the mid-surface of the three-dimensional blade. The acoustic inputs are then used in a Ffowcs Williams-Hawkings (FWH) equation solver to compute the acoustic signal at the observers. The mid-fidelity framework make possible to cheaply analyze different flight conditions however only tonal noise can be captured. Simulations are performed in three configurations: a rigid configuration, a plain elastic configuration, and an initially excited elastic configuration. In the latter, structural deformation is induced by an initial perturbation simulating a gust impacting the propeller. Sustained torsional oscillations around the equilibrium state are observed with a significant impact on the far-field noise directitivity. Additionally, it is noted that asymmetry in structural deformations can produce complex patterns in the tonal noise spectrum.

Nel campo dei rotori di piccole dimensioni per le applicazioni di Urban Air Mobility (UAM), l’obiettivo della tesi è analizzare l’impatto della flessibilità delle pale sull’emissione del rumore. Il problema dell’interazione fluidostruttura viene affrontato accoppiando un solutore a media fedeltà chiamato DUST per il dominio fluido e il solutore strutturale Mbdyn, accoppiati tramite la libreria preCICE. Gli elementi a reticolo di vortici (VL) sono utilizzati per rappresentare il corpo fisico nel dominio aerodinamico. Questo tipo di elemento funziona meglio dei pannelli e ha il potenziale aggiuntivo di tenere conto degli effetti viscosi. L’input acustico viene generato tramite DUST e parzialmente modificato per recuperare informazioni dalla forma completa del corpo, poiché gli elementi VL considerano solo la superficie media della pala tridimensionale. Gli input per calcolare l’acustica vengono quindi utilizzati in un solutore dell’equazione di Ffowcs Williams-Hawkings (FWH) per calcolare il segnale acustico agli osservatori. Il framework a media fedeltà consente di analizzare in modo economico diverse condizioni di volo, tuttavia può catturare solo il rumore tonale. Le simulazioni vengono eseguite in tre configurazioni: una configurazione rigida, una configurazione elastica semplice e una configurazione elastica inizialmente eccitata. In quest’ultima, la deformazione strutturale è indotta da una perturbazione iniziale che simula una raffica gust che impatta sull’elica. Si osservano oscillazioni torsionali sostenute intorno allo stato di equilibrio con un impatto significativo sulla direttività del rumore. Inoltre, si nota che l’asimmetria nelle deformazioni strutturali può produrre pattern complessi nello spettro del rumore tonale.