Experimental analysis of fan noise and performance at the EESC-USP Fan Rig Workbench (2019)
- Authors:
- Autor USP: ROCAMORA JUNIOR, BERNARDO MARTÍNEZ - EESC
- Unidade: EESC
- Sigla do Departamento: SEM
- Subjects: ANÁLISE ESPECTRAL; AERODINÂMICA; AEROACÚSTICA
- Keywords: Ruído de fan; Aerodinâmica de fan; Análise modal; Interação rotor-estator; Aleta de estator instrumentada
- Agências de fomento:
- Language: Inglês
- Abstract: O estudo da aeroacústica de fan tornou-se importante na academia e na indústria à medida que o ruído de outras fontes nas aeronaves, como o ruído de jato, foram reduzidas. O EESCUSP Fan Rig é um túnel de vento aeroacústico voltado para fans de baixa velocidade, que foi construído recentemente no Departamento de Engenharia Aeronáutica da Universidade de São Paulo. Seu objetivo é prover uma bancada experimental para o estudo dos mecanismos de geração de ruído de fan com uma configuração flexível que permita mudanças nas condições operacionais e geométricas de forma a isolar tanto quanto possível cada uma das fontes. Neste trabalho foram realizadas três campanhas experimentais visando aprofundar os conhecimentos sobre as capacidades da bancada e observar os efeitos no ruído que algumas variações paramétricas podem gerar. Uma campanha de performance de fan foi realizada para quantificar os efeitos dos parâmetros controláveis sobre o as características aerodinâmicas do escoamento. Partindo de escoamento sem restrição até restrição de área de 70%, e para diversas velocidades de rotação do fan, diversas medidas do escoamento foram feitas para que se pudesse calcular as métricas de performance: vazão volumétrica, pressão total e estática do fan, taxa de compressão, potência útil, potência elétrica de entrada e eficiência. Os resultados apontaram para uma taxa de compressão entre 1.0 e 1.02, com Mach axial máximo de 0.13 e eficiência máxima de 65%. Os efeitos de "surge", uma configuração instável caracterizada pelo estol das pás do rotor também foi observado. Diferenças significativas na performance do fan devido à instalação de uma Inlet Control Device (ICD) e pelo espaçamento entre rotor e estator não foram encontradas, com exceção em condições de "surge". Uma campanha paramétrica para estudo de ruídofoi realizada explorando os efeitos da velocidade de rotação e carregamento no fan, espaçamento entre rotor-estator e condição de entrada do escoamento no duto. Os resultados mostraram que o aumento do espaçamento do rotor-estator reduz os níveis tonais nas frequências de passagem das pás (BPFs) a uma taxa de aproximadamente 4dB quanto o espaçamento é duplicado. Os resultados experimentais indicam que as mudanças nos mecanismos de geração de ruído com a velocidade rotacional do fan escalam-se proporcionalmente, não afetam a forma espectral do ruído e, por consequência, não são úteis para distinguir os mecanismos de ruído. Embora a variação no carregamento não pareça exibir um efeito claro no ruído do fan, verifica-se que é uma boa abordagem para comparações cruzadas, em conjunto com a velocidade de rotação, do efeito de outros parâmetros no ruído do fan, já que, desta forma, é possível fazer uma modificação direta na estrutura do escoamento dentro do duto. Os modos Tyler-Sofrin, esperados pela contagem de pás e aletas usadas no conjunto rotor-estator, foram identificados e a potência acústica desses modos de interação acompanham a potências dos respectivos tons no espectro, levando à conclusão que a maior contribuição para o ruído tonal é, de fato, a interação rotor-estator. Também neste trabalho, também foi projetada uma aleta de estator instrumentada, usando tecnologias recentemente disponíveis, como a impressão 3D e o uso de microfones MEMS, para realizar medições de flutuação de pressão na superfície superior da aleta. Um método de processamento de sinal foi desenvolvido, usando a técnica de "phase averaging" combinada com o sinal de um sensor Hall para separar o conteúdo de banda larga em séries temporais. A distribuição do nível de ruido banda larga foi analisado para duas linhas na envergadura da aleta instrumentada e em ummicrofone de referência localizado na antena de microfones. Os níveis de banda larga aumentaram com o aumento da velocidade do fan e a sua distribuição ao longo destas linhas de alcance manteve a sua forma para diferentes velocidades. As correlações cruzadas dos microfones foram calculadas e mostraram o decaimento da correlação cruzada de zero-atraso com o aumento da distância entre os microfones sobre a aleta. Finalmente, a integral do comprimento de escala, obtida pela integração da curva de correlação cruzada de zero-atraso, apresentou decaimento com aumento na velocidade do fan. Os dados gerados por esse trabalho se mostraram de acordo com o esperado na literatura da área e servem de dados de entrada para modelos semi-empíricos e semi-analíticos que vem sendo desenvolvidos paralelamente pelo grupo de pesquisa.
- Imprenta:
- Publisher place: São Carlos
- Date published: 2019
- Data da defesa: 08.02.2019
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ABNT
ROCAMORA JUNIOR, Bernardo Martínez. Experimental analysis of fan noise and performance at the EESC-USP Fan Rig Workbench. 2019. Dissertação (Mestrado) – Universidade de São Paulo, São Carlos, 2019. Disponível em: http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/18/18148/tde-20092019-144718/. Acesso em: 06 nov. 2024. -
APA
Rocamora Junior, B. M. (2019). Experimental analysis of fan noise and performance at the EESC-USP Fan Rig Workbench (Dissertação (Mestrado). Universidade de São Paulo, São Carlos. Recuperado de http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/18/18148/tde-20092019-144718/ -
NLM
Rocamora Junior BM. Experimental analysis of fan noise and performance at the EESC-USP Fan Rig Workbench [Internet]. 2019 ;[citado 2024 nov. 06 ] Available from: http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/18/18148/tde-20092019-144718/ -
Vancouver
Rocamora Junior BM. Experimental analysis of fan noise and performance at the EESC-USP Fan Rig Workbench [Internet]. 2019 ;[citado 2024 nov. 06 ] Available from: http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/18/18148/tde-20092019-144718/
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