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Experimental analysis and characterization of flow turbulence regarding its effect on fan noise

Coutinho Caldas, Luciano

With the aim of making aircraft "greener'', researchers are continuously looking for solutions to make airplanes quieter and more efficient solutions to make airplanes quieter and more efficient. Actual and future aircraft the aim of making aircraft “greener”, researchers are continuously looking for concepts typically rely on highly integrated propulsion systems, aiming on the increase of flight efficiency, what typically leads to higher levels of turbulence ingested by the fan, and consequently the increase of fan noise generation. This work is focused in the understanding of fan noise generation due to distorted inflow. For the experimental investigation a series of measurements were performed in the low-speed aeroacoustic fan rig named CRAFT. Before experiments with variable inflow distortion may start, a baseline inflow with homogeneous and low-turbulence levels has to be established, as a prerequisite for fan self-noise investigation. This can be achieved by installing an Inflow Control Device (ICD) on the test rig’s inlet. For the CRAFT fan rig an ICD was especially conceived and constructed using flexible honeycomb covered on both sides with a thin wire mesh to ensure maximum turbulence reduction. Variable inflow distortions were generated using perforated plates combined with a honeycomb installed downstream of the inlet bellmouth. The aerodynamic performance of the ICD (baseline) and the inflow distortion tests were assessed by means of hot-wire and total pressure rakes. The fan noise emission was recorded by microphone arrays. A software to estimate turbulence parameters such as turbulence intensity and integral length scale (ILS) from hot-wire data was implemented. A novel technique was developed to estimate these turbulence parameters from the flow downstream of the fan by separating the statistics of the rotor wakes from the background flow. The ICD established a homogeneous inflow both in terms of turbulence intensity (as low as 0.1%) and the mean flow velocity. The turbulence distribution was characterized both in the inlet and between the fan and the stator section. Three inlet configurations were compared for different fan operating points: Without the ICD, with the ICD, and with ICD and an additional honeycomb installed upstream the fan. Acoustic analyzes revealed a reduction of the fan broadband noise levels and more stable rotor coherent tones with ICD compared to without. A reduction of narrowband components around the blade passing frequencies was also observed and is believed to be associated with the reduction of the low-frequency power content in the turbulence spectrum due to the ICD. These properties were further improved by adding a honeycomb in the duct inlet, with the penalty of a slight increase of the turbulence levels. The use of perforated plates combined with a honeycomb successfully generated distorted inflow profiles, which are relevant for fan noise investigations. Both the mean velocity profile and the turbulence field were altered by the screens. Acoustic measurements revealed an increase in broadband fan noise emission under distorted inflow conditions. The parametric tests with different levels of distortion allowed the assessment of the parameters that impact on the fan broadband noise generation. Analyzes suggest an approx. linear relationship between the fan broadband sound power emissions in decibels and the average ingested turbulence power. The turbulence profile generated inside the distorted area differs from what is typically seen in boundary layer ingesting fans.
Mit dem Ziel, Flugzeuge insgesamt "grüner" zu machen, suchen Forscher ständig nach Lösungen, leisere und effizientere Flugzeuge zu entwickeln. Aktuelle und zukünftige dem Ziel, Flugzeuge insgesamt "grüner" zu machen, suchen Forscher ständig nach Konzepten für Flugzeuge basieren in der Regel auf hochintegrierten Antriebssystemen, die auf eine Steigerung der Flugeffizienz abzielen. Eine Folge dieser Integrationslösung ist die Zunahme der Lärmemissionen des Fans, die durch die Aufnahme gestörter (inhomogener) Anströmung verursacht werden. Um die Entstehung von Fanlärm durch gestörte Zuströmung besser zu verstehen, wurde eine Reihe von Messungen in einem aeroakustischen Niedriggeschwindigkeits-Fan-Rig namens CRAFT durchgeführt. Bevor mit Experimenten von variablen Einlaufstörungen begonnen werden kann, muss eine möglichst gleichmäßige und turbulenzarme Zuströmung in der Einlaufstrecke gewährleistet werden. Voraussetzung für eine ungestörte Untersuchung der Eigengeräuscherzeugungsmechanismen von Fans ist eine Zuströmung mit vernachlässigbarer räumlicher und zeitlicher Inhomogenität. Um eine homogene und turbulenzarme Zuströmung zu gewährleisten, wurde eigens für das CRAFT-Fan Rig ein Inflow Control Device (ICD) konzipiert und hergestellt. Der ICD wurde aus einem flexiblen Wabengleichrichter gebaut, welcher beidseitig mit einem dünnen Drahtsieb überzogen ist, um eine maximale Turbulenzreduzierung zu gewährleisten. Die Wirkung des ICDs wurde sowohl aerodynamisch mittels Hitzdraht- und Totaldruck-Messungen als auch durch Erfassung der Fanschallanregung mittels Mikrofonarrays bewertet. Es wurde eine Software zur Verarbeitung von Hitzdrahtdaten implementiert, um Turbulenzparameter wie die Turbulenzintensität und die integrale Längenskala (ILS) zu bewerten. Außerdem wurde ein neuartiges Verfahren entwickelt, um diese Turbulenzparameter aus der Strömung zwischen Rotor und Stator abzuschätzen. Diese auf den Zeitbereich basierende Methode trennt und ermittelt die Turbulenzparameter sowohl der Rotornachläufe als auch der Hintergrundströmung. Mit dem ICD wurde eine homogene Zuströmung sowohl in Bezug auf die Turbulenzintensität (so niedrig wie 0,1%) als auch auf die mittlere Strömungsgeschwindigkeit festgestellt. Die Turbulenzverteilung wurde sowohl in der Einlaufstrecke als auch zwischen dem Fan und dem Stator über den gesamten Radius charakterisiert. Es wurden drei Einlaufskonfigurationen für verschiedene Betriebspunkte des Fans verglichen: Ohne ICD, mit ICD, und mit ICD und einem zusätzlichen Wabengleichrichter, welcher in der Einlaufstrecke stromauf des Fans eingesetzt wurde. Akustische Analysen ergaben eine Verringerung des breitbandigen Fanlärm und stabilere kohärente Rotortöne aufgrund des ICD im Vergleich zu ohne ICD. Es wurde auch eine Verringerung der Schmalbandkomponenten im Bereich der Blattfolgefrequenzen beobachtet, die vermutlich mit der Verringerung des tieffrequenten Leistungsanteils im Turbulenzspektrum aufgrund des ICD zusammenhängt. Diese Eigenschaften wurden durch das Hinzufügen eines Wabengleichrichter in der Einlaufstrecke weiter verbessert, allerdings mit dem Nachteil eines leichten Anstiegs der Turbulenzwerte. Durch die Verwendung von Lochblechen in Kombination mit einem Wabengleichrichter wurden erfolgreich gestörte Zuströmungsprofile erzeugt, die für die Untersuchung der Fanlärmanregung relevant sind. Sowohl das mittlere Geschwindigkeitsprofil als auch das Turbulenzfeld wurden durch die verschiedene Lochblechen verändert. Akustische Messungen ergaben einen bemerkenswerten Anstieg der Breitbandgeräuschpegel aufgrund der gestörten Zuströmung und des Anstiegs der Zuströmturbulenzpegel. Parametrischen Tests mit unterschiedlichen Störungsgraden ermöglichten die Bewertung der Parameter, die sich auf die breitbandige Fanlärmanregung auswirken. Die Analysen ergaben eine annähernd lineare Abhängigkeit zwischen den Schallleistungspegel des Fans in Dezibel und der durchschnittlichen Turbulenzvarianz (oder der turbulenten kinetischen Energie). Das Profil der Turbulenzintensität innerhalb des gestörten Bereichs unterschied sich jedoch von dem, was typischerweise bei Fans mit Grenzschichtansaugung zu beobachten ist.