Numerical simulations of sound generation from jet flows through orifices and lobed mixers

Abstract

The design of modern aircraft turbofan engines with low noise emissions requires a thorough understanding of noise generation and absorption phenomena in turbulent mixing jets as well as passive noise reduction devices, e.g. lobed mixers or acoustic liners. At the design stage, such understanding should be provided by reliable and accurate prediction tools to avoid prohibitively expensive experiments. Common acoustic prediction tools are either based on semi-empirical models limited to specific applications, or high-order computational fluid dynamics (CFD) codes, involving prohibitive costs for complex problems. The present study investigates the application and validation of a relatively novel approach in Computational Aeroacoustics (CAA) in which the unsteady near-field flow that contains important noise sources is simulated using a three-dimensional Lattice Boltzmann Method (LBM). The far-field sound pressure is predicted using the Ffwocs Williams-Hawkings (FW-H) surface integral method. The effects of turbulence modelling, Reynolds number, Mach number and non-isothermal boundary conditions were tested for canonical jet noise problems. A commercial code, PowerFLOW, based on the Lattice Boltzmann kernel was utilized for the simulations. In the first part of this study, turbulent jet simulations were performed for various configurations including a circular pipe, the SMC000 single-stream nozzle, and internal mixing nozzles with various types of forced mixers. Mean flow and turbulence statistics were obtained as well as sound pressure levels in the far-field. Predictions were compared with experimental data at similar operating conditions for verification. In most cases in which direct comparison were made with experimental data, 1/3 octave band spectral levels were found in good agreement with measured values up to Strouhal number (St) of ~3.0-4.0, also the overall sound pressure levels from simulation were mostly within ~1.0 dB range of measured sound levels. In all case studies, the actual nozzle including various mixer configurations was included in the computational domain in order to achieve realistic flow conditions. In some cases, inflow conditions needed to be imposed using forcing functions in order to mimic experimental conditions and induce enough perturbation for jet transition to turbulence. Both regular and high-order D3Q19 LBM schemes were tested in this study. The former method was restricted to a relatively low Mach numbers up to 0.5, where the latter can technically simulate the flow-field within the higher subsonic range through high-order terms in the discretized momentum equations. In another parallel study, the problem of sound absorption by turbulent jets was studied using a similar Lattice Boltzmann technique. The sound and turbulent flow inside a standing wave tube terminated by a circular orifice in presence of a mean flow was simulated. The computational domain comprised a standard virtual impedance tube apparatus in which sound waves were produced by periodic pressure imposed at one end. A turbulent jet was formed at the discharge of a circular orifice plate by the steady flow inside the tube. The acoustic impedance and sound absorption coefficient of the orifice plate were calculated from a wave decomposition of the sound field upstream of the orifice. Simulations were carried out for different excitation frequencies, amplitudes and orifice Mach numbers. Results and trends were in quantitative agreement with available analytical solution and experimental data. Altogether, the work documented here supports the accuracy and validity of the LBM for detailed flow simulations of complex turbulent jets. This method offers some advantages over Navier-Stokes based simulations for internal and external flows.La conception de réacteurs d’avions modernes suppose une compréhension approfondie des phénomènes de génération et d’absorption du bruit dans les jets à mélange turbulent ainsi que dans les dispositifs de réduction sonore passifs, tels que les tuyères lobées ou les ailes acoustiques. Dans le but de diminuer les coûts, des outils de prédiction fiables et précis sont indispensables. Ces outils de prédiction usuels sont basés soit sur des modèles semi-empiriques limités dans leur nombre d’applications possibles ou sur des codes de dynamique numérique des fluides d’ordre plus élevé. L’utilisation de ces derniers devant faire face à des défis pour résoudre des problèmes complexes dans des délais raisonnables. La présente étude concerne l’application ainsi que la validation d’une nouvelle approche aéroacoustique numérique dans laquelle la région d’écoulement instable en champ proche est simulée à l’aide d’une méthode de Boltzmann sur Réseau tri-dimensionnelle. La pression acoustique du champ lointain est prédite grâce à la méthode d’intégrale de surface de Ffowcs Williams-Hawkings (FW-H). Les effets de la modélisation de la turbulence, du nombre de Reynolds, du nombre de Mach, et des conditions limites non-isothermes furent testés pour plusieurs problèmes de bruits de jet. Un code commercial, PowerFLOW, basé sur la méthode de Boltzmann sur Réseau, fut utilisé dans le cadre des simulations. Dans la première étape de cette étude, des simulations turbulentes de jets furent effectuées pour différentes configurations incluant une pipe circulaire, la tuyère « SMC000 » à flux unique, et divers autres types de tuyères à mélange interne. Les statistiques du débit moyen et de la turbulence furent obtenus, ainsi que la pression acoustique dans le champ lointain. Dans le but de vérifier les résultats, ceux-ci furent par la suite comparés avec des données expérimentales obtenues à des conditions d’opérations similaires. Une concordance raisonnable fut notée. Les différentes configurations de tuyères d’éjection furent incluses dans le domaine de calcul afin d’obtenir des conditions d’écoulement réalistes. Dans certains cas, les conditions d’écoulement durent être imposées à l’afflux, à l’aide de fonctions de forçage. Le but étant d’imiter les conditions expérimentales et d’induire assez de perturbation pour favoriser la transition vers la turbulence. Deux versions du schéma de Boltzmann sur réseau, la version normale et la version D3Q19 d’ordre plus élevé, furent testées dans le cadre de cette étude. La première version est restreinte à un nombre faible de Mach de 0.5. La deuxième permet des simulations d’écoulement à un nombre de Mach subsonique plus élevé, et ce à travers l’inclusion de termes d’ordre élevé dans les équations discrétisées de quantité de mouvement. Dans une seconde partie, la question de l’absorption du son par les jets turbulents fut étudiée grâce à l’aide d’une méthode similaire de Boltzmann sur Réseau. Le bruit et l’écoulement turbulent à l’intérieur d’un tube d’ondes stationnaires, clôturé par un orifice circulaire et en présence d’un débit moyen, furent simulés. Le domaine de calcul comprend un dispositive de tube d’impédance virtuelle dans lequel les ondes sonores sont produites par le biais d’une pression périodiquement appliquée à l’une de ses extrémités. Au sein du tube, le débit moyen a permis la formation d’un jet turbulent à la sortie d’un diaphragme. Par la suite, l’impédance acoustique et le coefficient d’absorption du son du diaphragme furent calculés grâce à une décomposition du champ sonore en amont du diaphragme. Les simulations furent effectuées à différentes fréquences d’excitation, amplitudes et nombre de Mach au niveau du diaphragme. L’analyse des résultats et des tendances a permis de mettre en valeur leur concordance avec les données expérimentales et solutions analytiques