A design methodology for quiet and long endurance MAV rotors

Over the last 10 years, the use of micro air vehicles has rapidly covered a broad range of civilian and military applications. While most missions require optimizing the endurance, a growing number of applications also require acoustic covertness. For rotorcraft micro air vehicles, combining endurance and covertness heavily relies on the capability to design new propulsion systems. The present paper aims at describing a complete methodology for designing quiet and efficient micro air vehicle rotors, ranging from preliminary aerodynamic prediction to aeroacoustic optimization to experimental validation. The present approach is suitable for engineering purposes and can be applied to any multirotor micro air vehicle. A fast-response and reliable aerodynamic design method based on the blade-element momentum theory has been used and coupled with an extended acoustic model based on the Ffowcs Williams and Hawkings equation as well as analytical formulations for broadband noise. The aerodynamic and acoustic solvers have been coupled within an optimization tool. Key design parameters include the number of blades, twist and chord distribution along the blade, as well as the choice of an optimal airfoil. An experimental test bench suitable for non-anechoic environment has been developed in order to assess the benefit of the new rotor designs. Optimal rotors can maintain high aerodynamic efficiency and low acoustic signature with noise reductions in the order of 10 dB(A)

Reducing the noise of Micro-Air Vehicles in hover

Micro-Air Vehicles (MAV) are becoming common devices in a wide range of operations while the optimization of their propulsion system is rarely addressed. On the one hand, an aerodynamic optimization would have a straightforward effect on the endurance. On the other hand, an aeroacoustic optimization might increase discretion in military operating conditions, reduce noise pollution in civilian, urban environment and allow sound recordings in dual applications. This contribution aims at presenting a complete methodology for the design of silent and still efficient rotors for MAV, from aerodynamic prediction to aeroacoustic optimization and experimental validation. This approach is suitable for engineering purposes. The aerodynamic and acoustic modeling are described and the optimization procedure is presented. A step-by-step optimization is achieved and measured on an experimental bench suitable for non-anechoic environment. A discussion on the results is proposed. Key parameters on the blade geometry for the reduction of rotor noise are provided at the end of the paper

Towards silent Micro-Air Vehicles: optimization of a low Reynolds number rotor in hover

The demand in Micro-Air Vehicles (MAV) is increasing as well as their potential missions. Either for discretion in military operations or noise pollution in civilian use, noise reduction of MAV is a goal to achieve. Aeroacoustic research has long been focusing on full scale rotorcrafts. At MAV scales however, the hierarchization of the numerous sources of noise is not straightforward, as a consequence of the relatively low Reynolds number that ranges typically from 5,000 to 100,000 and low Mach number of approximately 0.1. This knowledge however, is crucial for aeroacoustic optimization and blade noise reduction in drones. This contribution briefly describes a lowcost,numerical methodology to achieve noise reduction by optimization of MAV rotor blade geometry. Acoustic power measurements show a reduction of 8 dB(A). The innovative rotor blade geometry allowing this noise reduction is then analyzed in details, both experimentally and numerically with Large Eddy Simulation using Lattice Boltzmann Method (LES-LBM). Turbulence interaction noise is shown to be a major source of noise in this configuration of low Reynolds number rotor in hover, as a result of small scale turbulence and high frequency unsteady aeroadynamics impinging the blades at the leading-edge

Aerodynamic and acoustic analysis of an optimized low Reynolds number rotor

The demand in Micro–Air Vehicles (MAV) is increasing as well as their potential missions. Either for discretion in military operations or noise pollution in civilian use, noise reduction of MAV is a goal to achieve. Aeroacoustic research has long been focusing on full scale rotorcraft. At MAV scales however, the hierarchization of the numerous sources of noise is not straightforward, as a consequence of the relatively low Reynolds number that ranges typically from 5 000 to 100 000. This knowledge however, is crucial for aeroacoustic optimization. This contribution briefly describes a low–cost, numerical methodology to achieve noise reduction by optimization of MAV rotor blade geometry. That methodology is applied to reduce noise from a MAV developed at ISAE–SUPAERO and a 8 dB(A) reduction on the acoustic power is found experimentally. The innovative rotor blade geometry allowing this noise reduction is then analyzed in detail using high–fidelity numerical approaches such as Unsteady Reynolds Averaged Navier–Stokes (URANS) simulation and Large Eddy Simulation using Lattice Boltzmann Method (LES–LBM). That strategy gives insight into the flow features around the optimized rotor and guidelines for the acoustic models used in a low–cost numerical optimization loo

Contribution au développement d'une analogie vibroacoustique pour la modélisation du bruit d'origine aérodynamique

This study proposes a model for the noise generated aerodynamically, while focusing on energy transfer mechanisms between the main flow and the propagating medium. Energy harvest in aerodynamic condition is therefore the subject of a first part. Three general trends may be identified ; the eulerian approach uses linearized Euler's equations for inviscid flows in a form of a conservation law ; the dissipating approach expands Navier-Stokes equations in series, relies on vorticity fluctuations to excite the medium or splits velocity or momentum vectors in a general potential theory ; the lagrangian approach describes the lagrangian displacement of the perturbation inherent to an acoustic wave. The first approach is the most commonly adopted. The second one is the most complete and provides aerodynamical mechanisms for energy generation. A general fashion follows where acoustics is a generalized field, trapped by a hydrodynamic impedance. The last one may be subject of close attention for future considerations. In a second part, computational models are presented with their ability to predict acoustic radiation from a surface excitation. These are the Kirchhoff formalism based on the pressure, the Ffowcs Williams & Hawkings formalism based on the mass flow rate and the Rayleigh integral based on the vibration velocity. These are applied in a third part of the study to investigate the response of the acoustic medium to a generique excitation in the form of a wavepacket, representative of unsteady aerodynamics. Such acoustic response is caracterised by its direction of maximum radiation and its efficiency, defined as the rate of energy transfer between the excitation and its surrounding medium. Introducing an upstream-downstream asymmetry in the excitation is showed to significantly enhance its efficiency, as well as a convection velocity in the propagating medium. Within these general considerations, the last part of this study models acoustic excitation in a mixing layer flow based on Liepmann's analogy. This relatively unexplored theory consists in a Rayleigh integral excited by the temporal derivative of the displacement thickness. Results are compared with direct noise computation database and two other methods of surface excitation. Directivity is likely to be found while pressure amplitude is correctly predicted by using a model for radiation impedance.Cette thèse propose une modélisation du bruit d'origine aérodynamique, avec une attention particulière aux mécanismes de transfert d'énergie entre l'écoulement et le milieu de propagation. Une première partie aborde le problème de la création et du transport de l'énergie acoustique en milieu aérodynamique. Trois grands courants de pensée sont identifiés : l'approche eulérienne linéarise les équations valables en cas de fluide parfait pour former une loi de conservation ; l'approche dissipative développe les équations de Navier-Stokes, fait intervenir les fluctuations de vorticité comment moteur du mouvement acoustique ou décompose la quantité de mouvement en une théorie potentielle ; l'approche lagrangienne décrit le déplacement lagrangien de la perturbation qui suit le passage de l'onde acoustique. La première est la plus naturelle. La deuxième est la plus complète et la seule à expliquer la création d'énergie par l'aérodynamique. Une théorie générale voyant l'acoustique comme le seul champ généralisé qui se trouve piégé par l'aérodynamique en découle. La dernière est la plus prometteuse pour l'avenir. Dans une deuxième partie, les moyens permettant le calcul du champ acoustique à partir d'une sollicitation surfacique sont présentés. Il s'agit de la méthode d'extrapolation des ondes de Kirchhoff basée sur la pression, la formulation de Ffowcs-Williams & Hawkings basée sur les débits, et l'intégrale de Rayleigh basée sur une vitesse vibratoire. Une troisième partie de la thèse utilise les formalismes d'excitation surfacique pour étudier la réaction du milieu acoustique à des excitations génériques sous formes de paquets d'onde, représentatives de l'aérodynamique instationnaire. La réponse acoustique est caractérisée par la direction d'émission privilégiée du rayonnement et son efficacité, défini comme le taux de transfert d'énergie entre l'excitation et son milieu. On montre notamment que l'introduction d'une dissymétrie amont-aval dans l'excitation augmente fortement son efficacité, de même que la prise en compte d'un milieu de propagation en mouvement uniforme. Dans une dernière partie, ces considérations sont étendues au rayonnement d'une couche de mélange et adaptées en se basant sur l'analogie de Liepmann. Cette approche peu répandue est une intégrale de Rayleigh dont l'excitation est la dérivée temporelle de l'épaisseur de déplacement. Les résultats sont comparés avec la base de données d'une simulation acoustique directe et des deux autres méthodes surfaciques. La directivité n'est pas retrouvée par la modélisation proposée. On montre que la prédiction des niveaux nécessite de modéliser une impédance de rayonnement

Contribution to the development of a vibro-acoustic analogy for modeling aerodynamic noise

Cette thèse propose une modélisation du bruit d'origine aérodynamique, avec une attention particulière aux mécanismes de transfert d'énergie entre l'écoulement et le milieu de propagation. Une première partie aborde le problème de la création et du transport de l'énergie acoustique en milieu aérodynamique. Trois grands courants de pensée sont identifiés : l'approche eulérienne linéarise les équations valables en cas de fluide parfait pour former une loi de conservation ; l'approche dissipative développe les équations de Navier-Stokes, fait intervenir les fluctuations de vorticité comment moteur du mouvement acoustique ou décompose la quantité de mouvement en une théorie potentielle ; l'approche lagrangienne décrit le déplacement lagrangien de la perturbation qui suit le passage de l'onde acoustique. La première est la plus naturelle. La deuxième est la plus complète et la seule à expliquer la création d'énergie par l'aérodynamique. Une théorie générale voyant l'acoustique comme le seul champ généralisé qui se trouve piégé par l'aérodynamique en découle. La dernière est la plus prometteuse pour l'avenir. Dans une deuxième partie, les moyens permettant le calcul du champ acoustique à partir d'une sollicitation surfacique sont présentés. Il s'agit de la méthode d'extrapolation des ondes de Kirchhoff basée sur la pression, la formulation de Ffowcs-Williams & Hawkings basée sur les débits, et l'intégrale de Rayleigh basée sur une vitesse vibratoire. Une troisième partie de la thèse utilise les formalismes d'excitation surfacique pour étudier la réaction du milieu acoustique à des excitations génériques sous formes de paquets d'onde, représentatives de l'aérodynamique instationnaire. La réponse acoustique est caractérisée par la direction d'émission privilégiée du rayonnement et son efficacité, défini comme le taux de transfert d'énergie entre l'excitation et son milieu. On montre notamment que l'introduction d'une dissymétrie amont-aval dans l'excitation augmente fortement son efficacité, de même que la prise en compte d'un milieu de propagation en mouvement uniforme. Dans une dernière partie, ces considérations sont étendues au rayonnement d'une couche de mélange et adaptées en se basant sur l'analogie de Liepmann. Cette approche peu répandue est une intégrale de Rayleigh dont l'excitation est la dérivée temporelle de l'épaisseur de déplacement. Les résultats sont comparés avec la base de données d'une simulation acoustique directe et des deux autres méthodes surfaciques. La directivité n'est pas retrouvée par la modélisation proposée. On montre que la prédiction des niveaux nécessite de modéliser une impédance de rayonnement.This study proposes a model for the noise generated aerodynamically, while focusing on energy transfer mechanisms between the main flow and the propagating medium. Energy harvest in aerodynamic condition is therefore the subject of a first part. Three general trends may be identified ; the eulerian approach uses linearized Euler's equations for inviscid flows in a form of a conservation law ; the dissipating approach expands Navier-Stokes equations in series, relies on vorticity fluctuations to excite the medium or splits velocity or momentum vectors in a general potential theory ; the lagrangian approach describes the lagrangian displacement of the perturbation inherent to an acoustic wave. The first approach is the most commonly adopted. The second one is the most complete and provides aerodynamical mechanisms for energy generation. A general fashion follows where acoustics is a generalized field, trapped by a hydrodynamic impedance. The last one may be subject of close attention for future considerations. In a second part, computational models are presented with their ability to predict acoustic radiation from a surface excitation. These are the Kirchhoff formalism based on the pressure, the Ffowcs Williams & Hawkings formalism based on the mass flow rate and the Rayleigh integral based on the vibration velocity. These are applied in a third part of the study to investigate the response of the acoustic medium to a generique excitation in the form of a wavepacket, representative of unsteady aerodynamics. Such acoustic response is caracterised by its direction of maximum radiation and its efficiency, defined as the rate of energy transfer between the excitation and its surrounding medium. Introducing an upstream-downstream asymmetry in the excitation is showed to significantly enhance its efficiency, as well as a convection velocity in the propagating medium. Within these general considerations, the last part of this study models acoustic excitation in a mixing layer flow based on Liepmann's analogy. This relatively unexplored theory consists in a Rayleigh integral excited by the temporal derivative of the displacement thickness. Results are compared with direct noise computation database and two other methods of surface excitation. Directivity is likely to be found while pressure amplitude is correctly predicted by using a model for radiation impedance

Modeling aeroacoustic excitations by subsonic wave packets in the Kirchhoff formalism - Modélisation d'excitations aéroacoustiques par paquets d'ondes subsoniques dans le formalisme de Kirchhoff

Le présent travail s’insère dans l’ensemble des contributions visant à relier la forme de l’enveloppe d’un paquet d’ondes à la directivité du rayonnement acoustique associé. Crighton & Huerre (J. Fluid Mech., vol. 220, p. 355-368, 1990) ont ainsi effectué un travail théorique menant à des expressions analytiques pour les enveloppes et leur champ acoustique lointain. Nous proposons une extension de ces travaux par le recours à l'outil numérique et aux méthodes d'extrapolation des ondes acoustiques, en utilisant le formalisme de Kirchhoff en espace fréquentiel. Nous considérons le cas d'un domaine bidimensionnel et rectangulaire dont l'un des côtés se voit imposer un paquet d'ondes comme condition limite. Dans un premier temps, l'outil numérique ainsi élaboré est validé par comparaison avec les résultats analytiques sus-évoqués. Ensuite, une généralisation à d'autres modèles d'enveloppes de paquets d'ondes est abordée. L'émergence d'un critère d'efficacité acoustique en fonction du type d'enveloppe est argumentée, tout comme la nécessité de définir l'énergie d'un paquet d'ondes et une énergie acoustique de sortie. Nous ferons ensuite le lien avec des cas d'écoulements académiques et les formes de paquets d'ondes qu'ils mettent en jeu, à travers le cas de la couche de mélange. Nous étendrons pour cela le formalisme utilisé à une propagation convectée. Par ailleurs, il a été observé numériquement pour cette configuration que le nombre de Mach a pour effet d'augmenter la directivité acoustique et ce, même si la forme de l'enveloppe du paquet d'onde est identique. L'outil numérique développé ici nous permettra de modéliser le rayonnement de cet écoulement, tout en faisant varier indépendamment le nombre de Mach, l'étendue de l'enveloppe et la longueur d'onde acoustique. On fera ensuite le lien avec les critères d'efficacité énergétique developpés dans l'étude préliminaire

Reducing the noise of Micro-Air Vehicles in hover

International audienceMicro-Air Vehicles (MAV) are becoming common devices in a wide range of operations while the optimization of their propulsion system is rarely addressed. On the one hand, an aerodynamic optimization would have a straightforward effect on the endurance. On the other hand, an aeroacoustic optimization might increase discretion in military operating conditions, reduce noise pollution in civilian, urban environment and allow sound recordings in dual applications. This contribution aims at presenting a complete methodology for the design of silent and still efficient rotors for MAV, from aerodynamic prediction to aeroacoustic optimization and experimental validation. This approach is suitable for engineering purposes. The aerodynamic and acoustic modeling are described and the optimization procedure is presented. A step-by-step optimization is achieved and measured on an experimental bench suitable for non-anechoic environment. A discussion on the results is proposed. Key parameters on the blade geometry for the reduction of rotor noise are provided at the end of the paper

Aerodynamic and acoustic analysis of an optimized low Reynolds number rotor

International audienceThe demand in Micro-Air Vehicles (MAV) is increasing as well as their potential missions. Either for discretion in military operations or noise pollution in civilian use, noise reduction of MAV is a goal to achieve. Aeroacoustic research has long been focusing on full scale rotorcrafts. At MAV scales however, the hierarchization of the numerous sources of noise is not straightforward, as a consequence of the relatively low Reynolds number that ranges typically from 5,000 to 100,000. is knowledge however, is crucial for aeroacoustic optimization. is contribution briefly describes a low-cost, numerical methodology to achieve noise reduction by optimization of MAV rotor blade geometry. That methodology is applied to reduce noise from a MAV developped at ISAE-Supaero and a 8 dB(A) reduction on the acoustic power is found experimentally. The innovative rotor blade geometry allowing this noise reduction is then analyzed in detail using high-fidelity numerical approaches such as Unsteady Reynolds Averaged Navier-Stokes (URANS) simulation and Very Large Eddy Simulation using La ice Boltzmann Method (VLES-LBM). at strategy gives insight into the flow features around the optimized rotor and guidelines for the acoustic models used in a low-cost numerical optimization loop