Riassunto analitico
Lo studio è condotto con lo scopo di sviluppare un possibile approccio alla progettazione di profili alari utilizzabili in ventilatori assiali impiegati nel circuito di raffreddamento dei motori termici. Partendo dalla forma alare caratteristica del profilo Naca 0012, nell’analisi viene sviluppato un processo di ottimizzazione basato sulla modifica geometrica del profilo e volto alla realizzazione di nuove forme che garantiscano la riduzione del rumore prodotto senza peggiorare le prestazioni aerodinamiche. Difatti, considerando il rumore generato dall'interazione tra il flusso d'aria e le pale della macchina, è possibile definire modelli in grado di simulare il fenomeno del rumore emesso dal profilo aerodinamico studiato e successivamente testare nuove forme che ne consentano la minimizzazione. Più precisamente l'obiettivo principale è la riduzione del rumore medio che si percepisce quando il ventilatore lavora nel range di frequenze più comune [315-8000 Hz]. Date le difficoltà nel trattare i rumori tonali, lo scopo principale è quello di lavorare sui rumori a banda larga. Sulla base degli studi condotti da Broke, Pope e Marcolini, questa categoria di rumori può essere descritta e suddivisa in cinque contributi; ognuno di questi è calcolato con un modello. In primo luogo viene sviluppato un codice per prevedere correttamente le diverse sorgenti di rumore. Ciò è stato possibile attraverso l’utilizzo di xfoil, un programma per la progettazione e l'analisi di profili alari isolati e subsonici. Questo programma viene utilizzato per ottenere i valori del boundary layer displacement thickness sia sul lato di pressione che di aspirazione sul bordo di uscita. Il codice è stato implementato in Python con l’approccio di objective oriented programming al fine di ottenere risultati più accurati. Oltre alle caratteristiche geometriche del profilo alare, gli input richiesti per eseguire il codice sono legati all'interazione fra il flusso d’aria e la posizione dell'elemento come la velocità indisturbata e l'angolo di attacco. La validazione viene effettuata confrontando i risultati ottenuti dal codice con quelli calcolati e condivisi nel paper “Airfoil Self-Noise and Prediction” prodotto nel 1989 da T.Brooks, M.Marcolini e D.Pope, preso come riferimento. A seguito dei test di validazione, è prodotto un codice di ottimizzazione per ricercare nuove forme di profilo alare che riducano il rumore emesso ma allo stesso tempo garantiscano prestazioni aerodinamiche simili a quelle del profilo iniziale. A tal fine lo script è caratterizzato dall'implementazione di una funzione di penalità basata sul calcolo del coefficiente di portanza del nuovo profilo alare. Solo se il coefficiente di portanza è sufficientemente vicino al valore prodotto dalla airfoil Naca 0012, il profilo proposto viene preso in considerazione durante il processo di ottimizzazione. Attraverso il menù GDES di Xfoil è stato realizzato un inverse design basato sulla modifica del camber del profilo alare in base alle variazioni imposte sul coefficiente di pressione. Il simulatore Python trova la migliore configurazione di questi coefficienti per ridurre al minimo l'ottimizzazione del profilo alare in termini di rumore prodotto. Successivamente, il nuovo profilo alare ottimizzato viene testato. Inizialmente è stato analizzato in diverse condizioni operative per quanto riguarda sia l'angolo di attacco che il numero di Reynold. Dal punto di vista fluidodinamico, invece, la nuova sezione di pala proposta è stata studiata con l'ausilio del software cfd OpenFOAM al fine di valutare le prestazioni aerodinamiche sia in termini di portanza che di resistenza. L'analisi CFD viene effettuata tramite il metodo Reynolds Averaged Navier Stokes (RANS). Il modello turbolento usato è il KOmegaSSTLM.
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Abstract
The following study is made with the purpose of developing a possible approach in the design of the characteristic airfoil of an axial fan blade employed in the cooling circuit of the engines. The well known Naca 0012 profile is taken as initial point of the work, then an optimization process is developed in order to produce new shapes for the blade’s sections with the goal of reducing the noise production without worsening the aerodynamic performances. Focusing on the noise generated by the interaction between the airflow and the blades of the machine, it is possible to set up models that are able to simulate the phenomenon of noise emitted by the studied airfoil and subsequently test new shapes that allow its minimization. More precisely the main objective is the reduction of the average sound that is perceived when the fan works in the most common range of frequencies [315-8000 Hz]. Given the difficulties in reducing tonal noises, the main purpose is to work on the broadband noises. Based on the studies conducted by Broke, Pope and Marcolini (BPM), this category of noises can be described and divided into five contributions; each of these is computed with a model. Starting from these analyzes, firstly a code is developed in order to correctly predict the different sources of noise. This was aided by the use of xfoil, a program for the design and analysis of subsonic isolated airfoils. This program is used to obtain the values of the boundary layer displacement thickness at the trailing edge at both the pressure and the sunction side of the airfoil. The code has been implemented in Python with an objective oriented programming approach to reach more accurate results. Besides the initial geometrical features of the airfoil, the required inputs to run the code are related to the interaction of the free flow and the element’s position like the free flow velocity and the angle of attack. After that, the model has been designed, the validation process is made by comparing its results to the ones computed and shared in the paper “Airfoil Self-Noise and Prediction” produced in 1989 by T.Brooks, M.Marcolini and D.Pope, taken as a reference. Following the testing of the model, an optimization code has been produced to search for airfoil shapes that would reduce the noise emitted but at the same time guarantee a similiar aerodynamic performance. For this aim the script is characterized by the implementation of a penalty function based on the computation of the lift coefficient of the new airfoil. Only if the lift coefficient is close enough to the value produced by the initial 0012 profile the proposed profile is taken into account during the optimization process. Through the menu GDES of Xfoil it has been possible to make an inverse design based on the modification of the airfoil’s camber accordingly to the required variations of the pressure coefficients. The python simulator finds the best configuration of these coefficient to drive the airfoil’s optimization to a minimum in terms of the produced sound. Afterward, the new optimized airfoil has been tested. Initially the found profile has been analyzed at different operating conditions as far as both the angle of attack and the Reynold number are concerned. Instead, from the fluid dynamic point of view the proposed new blade section has been studied with the help of the cfd software OpenFOAM in order to assure the aerodynamic performances in terms of both the lift and the drag. The CFD analysis is made through the Reynolds Averaged Navier Stokes method (RANS). The turbulent model used is the kOmegaSSTLM.
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