Resolvent model for aeroacoustics of trailing edge noise
Creators
- 1. Technische Universität Berlin
- 2. KTH Royal Institute of Technology
- 3. Instituto Tecnológico de Aeronáutica
Description
Abstract This study presents a physics-based, low-order model for the trailing edge (TE) noise generated by an airfoil at low angle of attack. The approach employs incompressible resolvent analysis of the mean flow to extract relevant spanwise-coherent structures in the transitional boundary layer and near wake. These structures are integrated into Curle's solution to Lighthill's acoustic analogy to obtain the scattered acoustic field. The model has the advantage of predicting surface pressure fluctuations from first principles, avoiding reliance on empirical models, but with a free amplitude set by simulation data. The model is evaluated for the transitional flow ( $$\text {Re} = 5e4$$ Re = 5 e 4 ) around a NACA0012 airfoil at 3 deg angle of attack, which features TE noise with multiple tones. The mean flow is obtained from a compressible large eddy simulation, and spectral proper orthogonal decomposition (SPOD) is employed to extract the main hydrodynamic and acoustic features of the flow. Comparisons between resolvent and SPOD demonstrate that the physics-based model accurately captures the leading coherent structures at the main tones' frequencies, resulting in a good agreement of the reconstructed acoustic power with that of the SPOD (within 4 dB). Discrepancies are observed at high frequencies, likely linked to nonlinearities that are not considered in the resolvent analysis. The model's directivity aligns well with the data at low Helmholtz numbers, but it fails at high frequencies where the back-scattered pressure plays a significant role in directivity. This modeling approach opens the way for efficient optimization of airfoil shapes in combination with low-fidelity mean flow solvers to reduce TE noise. Graphical abstract
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
ملخص تقدم هذه الدراسة نموذجًا منخفض الترتيب قائمًا على الفيزياء لضوضاء الحافة الخلفية الناتجة عن الجنيح عند زاوية الهجوم المنخفضة. يستخدم النهج تحليل محلول غير قابل للانضغاط لمتوسط التدفق لاستخراج الهياكل المتماسكة ذات الصلة في طبقة الحدود الانتقالية والقريبة من الاستيقاظ. تم دمج هذه الهياكل في حل كيرل لتشبيه لايتهيل الصوتي للحصول على المجال الصوتي المتناثر. يتمتع النموذج بميزة التنبؤ بتقلبات ضغط السطح من المبادئ الأولى، وتجنب الاعتماد على النماذج التجريبية، ولكن مع سعة حرة تحددها بيانات المحاكاة. يتم تقييم النموذج للتدفق الانتقالي ($$\ text {Re} = 5e4 $$ Re = 5 e 4 ) حول الجنيح الجوي NACA0012 بزاوية 3 درجات من الهجوم، والذي يتميز بضوضاء TE مع نغمات متعددة. يتم الحصول على متوسط التدفق من محاكاة دوامية كبيرة قابلة للانضغاط، ويتم استخدام التحلل المتعامد الطيفي المناسب (SPOD) لاستخراج السمات الهيدروديناميكية والصوتية الرئيسية للتدفق. توضح المقارنات بين المحلل و SPOD أن النموذج القائم على الفيزياء يلتقط بدقة الهياكل المتماسكة الرائدة عند ترددات النغمات الرئيسية، مما يؤدي إلى اتفاق جيد على القوة الصوتية المعاد بناؤها مع قوة SPOD (في حدود 4 ديسيبل). تتم ملاحظة التناقضات عند الترددات العالية، والتي من المحتمل أن تكون مرتبطة بالخطوط غير الخطية التي لم يتم أخذها في الاعتبار في تحليل المحلول. يتوافق اتجاه النموذج بشكل جيد مع البيانات عند أرقام هيلمهولتز المنخفضة، لكنه يفشل عند الترددات العالية حيث يلعب الضغط المتناثر للخلف دورًا مهمًا في الاتجاهية. يفتح نهج النمذجة هذا الطريق أمام التحسين الفعال لأشكال الجنيح الهوائي جنبًا إلى جنب مع آلات حل التدفق المتوسط منخفضة الدقة لتقليل ضوضاء تي إي. ملخص رسوميTranslated Description (French)
Résumé Cette étude présente un modèle d'ordre faible basé sur la physique pour le bruit de bord de fuite (TE) généré par un profil aérodynamique à faible angle d'attaque. L'approche utilise une analyse résolvante incompressible du flux moyen pour extraire les structures cohérentes pertinentes dans le sens de l'envergure dans la couche limite de transition et près du sillage. Ces structures sont intégrées dans la solution de Curle à l'analogie acoustique de Lighthill pour obtenir le champ acoustique diffusé. Le modèle a l'avantage de prédire les fluctuations de pression de surface à partir des premiers principes, en évitant de s'appuyer sur des modèles empiriques, mais avec une amplitude libre définie par les données de simulation. Le modèle est évalué pour le flux de transition ( $$\text {Re} = 5e4 $$ Re = 5e 4 ) autour d'un profil aérodynamique NACA0012 à un angle d'attaque de 3 degrés, qui présente un bruit TE avec plusieurs tonalités. Le flux moyen est obtenu à partir d'une simulation compressible à grand tourbillon, et une décomposition orthogonale spectrale correcte (SPOD) est utilisée pour extraire les principales caractéristiques hydrodynamiques et acoustiques du flux. Les comparaisons entre le résolvant et le SPOD démontrent que le modèle basé sur la physique capture avec précision les structures cohérentes principales aux fréquences des tonalités principales, résultant en un bon accord de la puissance acoustique reconstruite avec celle du SPOD (à 4 dB près). Des écarts sont observés à des fréquences élevées, probablement liés à des non-linéarités qui ne sont pas prises en compte dans l'analyse résolvante. La directivité du modèle s'aligne bien avec les données à de faibles nombres de Helmholtz, mais elle échoue à des fréquences élevées où la pression rétrodiffusée joue un rôle important dans la directivité. Cette approche de modélisation ouvre la voie à une optimisation efficace des formes de profils aérodynamiques en combinaison avec des résolveurs d'écoulement moyen basse fidélité pour réduire le bruit TE. Résumé graphiqueTranslated Description (Spanish)
Resumen Este estudio presenta un modelo de bajo orden basado en la física para el ruido de borde de salida (TE) generado por un perfil aerodinámico a un ángulo de ataque bajo. El enfoque emplea un análisis de resolución incompresible del flujo medio para extraer estructuras coherentes a lo largo de la envergadura relevantes en la capa límite de transición y cerca de la estela. Estas estructuras se integran en la solución de Curle a la analogía acústica de Lighthill para obtener el campo acústico disperso. El modelo tiene la ventaja de predecir las fluctuaciones de la presión superficial a partir de los primeros principios, evitando depender de modelos empíricos, pero con una amplitud libre establecida por los datos de simulación. El modelo se evalúa para el flujo de transición ( $$\text {Re} = 5e4 $$ Re = 5 e 4 ) alrededor de un perfil aerodinámico NACA0012 a un ángulo de ataque de 3 grados, que presenta ruido TE con múltiples tonos. El flujo medio se obtiene a partir de una simulación de remolino grande compresible, y se emplea la descomposición ortogonal espectral adecuada (SPOD) para extraer las principales características hidrodinámicas y acústicas del flujo. Las comparaciones entre resolvent y SPOD demuestran que el modelo basado en la física captura con precisión las estructuras coherentes líderes en las frecuencias de los tonos principales, lo que resulta en una buena concordancia de la potencia acústica reconstruida con la del SPOD (dentro de 4 dB). Las discrepancias se observan a altas frecuencias, probablemente vinculadas a no linealidades que no se consideran en el análisis de resolventes. La directividad del modelo se alinea bien con los datos a números bajos de Helmholtz, pero falla a altas frecuencias donde la presión retrodispersada juega un papel importante en la directividad. Este enfoque de modelado abre el camino para la optimización eficiente de las formas del perfil aerodinámico en combinación con solucionadores de flujo medio de baja fidelidad para reducir el ruido TE. Resumen gráficoFiles
s00162-024-00688-z.pdf.pdf
Files
(1.6 MB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:74caeb1e5776904505d4dbcde81bad0b
|
1.6 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- نموذج محلل للصوتيات الهوائية لضوضاء الحافة الخلفية
- Translated title (French)
- Modèle Resolvent pour l'aéroacoustique du bruit de bord de fuite
- Translated title (Spanish)
- Modelo de disolvente para aeroacústica de ruido de borde de salida
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W4394578918
- DOI
- 10.1007/s00162-024-00688-z
References
- https://openalex.org/W1963795331
- https://openalex.org/W1969171601
- https://openalex.org/W1971719387
- https://openalex.org/W1991925888
- https://openalex.org/W2012047149
- https://openalex.org/W2012309054
- https://openalex.org/W2038516800
- https://openalex.org/W2045528587
- https://openalex.org/W2046617338
- https://openalex.org/W2047750725
- https://openalex.org/W2068169473
- https://openalex.org/W2070101112
- https://openalex.org/W2090131196
- https://openalex.org/W2106194530
- https://openalex.org/W2107362277
- https://openalex.org/W2109230664
- https://openalex.org/W2112823474
- https://openalex.org/W2116704199
- https://openalex.org/W2128033325
- https://openalex.org/W2131926641
- https://openalex.org/W2146623332
- https://openalex.org/W2148897203
- https://openalex.org/W2149105306
- https://openalex.org/W2163574757
- https://openalex.org/W2169445392
- https://openalex.org/W2169565444
- https://openalex.org/W2197093206
- https://openalex.org/W2296694989
- https://openalex.org/W2328984898
- https://openalex.org/W2410265402
- https://openalex.org/W2561289204
- https://openalex.org/W2561922935
- https://openalex.org/W2570255964
- https://openalex.org/W2624126573
- https://openalex.org/W2770184040
- https://openalex.org/W2802019244
- https://openalex.org/W2896028771
- https://openalex.org/W2904473351
- https://openalex.org/W2911895969
- https://openalex.org/W2945614241
- https://openalex.org/W2972624851
- https://openalex.org/W2981724288
- https://openalex.org/W3004311099
- https://openalex.org/W3099211663
- https://openalex.org/W3102347297
- https://openalex.org/W3102739074
- https://openalex.org/W3159936017
- https://openalex.org/W3164483994
- https://openalex.org/W3168748462
- https://openalex.org/W3200840087
- https://openalex.org/W4206029394
- https://openalex.org/W4220691273
- https://openalex.org/W4282598443
- https://openalex.org/W4289593697
- https://openalex.org/W4379878225