Multifidelity aerodynamic and aeroacoustics of propellers and adjoint based optimization for noise reduction

Urban Air Mobility vehicles powered by electric propulsion systems, which operate in urban settings, face stringent noise constraints, making propeller noise a significant design challenge. This thesis investigates the potential to minimize noise emissions from low-Reynolds-number isolated propellers by optimizing blade geometry using a discrete adjoint approach, avoiding the computational burden of fully unsteady simulations. This research proposes and investigates three hybrid CFD-CAA solvers of increasing fidelity and computation cost to predict tonal noise emission of small scale propellers. The coupling strategy adopted to link the aerodynamic solvers with the Ffowcs Williams-Hawkings integral formulation to assess tonal noise will be discussed. Mainly, the forward flight condition is investigated. Validation has been conducted in respect with experimental data acquired in anechoic wind tunnels. Among these, a Reynolds-Averaged Navier-Stokes approach in a rotating reference frame demonstrated a favorable trade-off, effectively predicting tonal noise emissions with reduced computational demand. This method was further enhanced to approximate the broadband self-noise by integrating an analytical model with automatic estimation of the boundary layer thickness at blade trailing edges, offering a viable alternative to more computationally intense and fully unsteady simulations. An adjoint-based optimization framework is proposed to efficiently diminish tonal and broadband noise separately. Leveraging reverse-mode automatic differentiation, this framework efficiently computes sensitivities of noise objectives with respect to blade shape, enabling noise reduction by morphing the geometry while maintaining aerodynamic performance. The sensitivity maps and geometric modifications enhance the understanding of noise emissions by illustrating how design changes impact acoustic and aerodynamic performance. This research contributes to advancing numerical methodologies for propeller noise estimation and reduction in UAM applications, providing a foundation for efficient optimization frameworks that are compatible with industry requirements for design.

I futuri aero-veicoli per mobilità urbana, noti come UAM, alimentati da sistemi di propulsione elettrica devono affrontare stringenti vincoli di emission di rumore, rendendo la progettazione del propulsore una sfida significativa in quanto principale sorgente. Questa tesi indaga la possibilità di ridurre le emissioni sonore di rotore isolati a basso numero di Reynolds ottimizzando la geometria delle pale utilizzando un approccio basato sull aggiunto discreto, evitando il costo computazionale associato delle simulazioni instazionarie. Questa ricerca propone e analizza tre solutori ibridi CFD-CAA di crescente fedeltà e costo computazionale per prevedere le emissioni sonore tonali di propeller di piccole dimensioni. La strategia di accoppiamento adottata per collegare i solutori aerodinamici con la formulazione integrale di Ffowcs Williams-Hawkings che valuta il rumore deterministico è oggetto di discussione. Principalmente, viene esaminata la condizione di volo avanzato. La validazione è stata condotta in relazione ai dati sperimentali acquisiti in gallerie del vento anecoiche. Tra questi, l'approccio basato sulla risoluzione delle equazioni di Navier-Stokes in un sistema di riferimento rotante ha mostrato un favorevole compromesso, prevedendo efficacemente le emissioni sonore tonali con un ridotto tempo computazionale. Questo metodo è stato ulteriormente esteso per stimare il rumore non deterministico tipicamente ad alta frequenza e tramite l'integrazione di un modello analitico con la stima automatica dello spessore dello strato limite al bordo d'uscita delle pale. Un framework di ottimizzazione basato sull'aggiunto è stato proposto per ridurre efficientemente sia il rumore tonale che non stocastico. Sfruttando la differenziazione automatica in modalità inversa, questo framework calcola in modo efficiente le sensitività delle metriche acustiche rispetto alla forma delle pale, consentendo la riduzione del rumore mediante la modifica della geometria pur mantenendo le prestazioni aerodinamiche. Le mappe di sensitività e le modifiche geometriche migliorano la comprensione delle emissioni sonore illustrando come i cambiamenti nel design influenzino i coefficienti di interesse. Questa ricerca contribuisce all'avanzamento delle metodologie numeriche per la stima e la riduzione del rumore dei rotori per applicazioni UAM, fornendo un framework di ottimizzazione efficiente che è compatibile con i requisiti industriali per la progettazione.