PG-EAM - Graduate Program in Aeronautical and Mechanical Engineering
PT EN
PhD Thesis 2024

Dinâmica não-linear do ruído tonal de aerofólios

Author

Alex Sano

Concentration Area

Projeto Aeronáutico, Estruturas e Sistemas Aeroespaciais

Defense Date

16/12/2024

Thesis Number

80343

Abstract

Este estudo combina conceitos de aeroacústica e teoria de sistemas dinâmicos para explorar a relação entre os comportamentos dinâmicos do escoamento e a geração de ruído em perfis aerodinâmicos. A investigação foi conduzida utilizando o perfil aerodinâmico NACA 0012 sob diferentes condições de número de Reynolds e ângulo de ataque, com foco em configurações de Mach 0,3. Foram analisados dois casos principais: um com ângulo de ataque AoA = 3° e outro com AoA = 0°. Para cada configuração, os números de Reynolds variaram entre 3,2 × 103 e 2,7 × 10^4 e entre 8 × 10^4 e 1,2 × 10^5, com incrementos de 200 e 2000, respectivamente. A escolha desses valores visou capturar as transições do escoamento, desde comportamentos periódicos até estados caóticos, permitindo uma análise detalhada dos mecanismos subjacentes ao ruído tonal e tons secundários e às dinâmicas de escoamento. Ao analisar o caso com AoA = 3°, ferramentas como retratos de fase, mapas de bifurcação e densidade espectral de potência da pressão revelaram a transição do escoamento para estados caóticos, evidenciada pelo surgimento de tons secundários no espectro de pressão acústica, conjuntamente com a transição via o estado de quase-periodicidade. Consequentemente, com o aumento sucessivo de Re, a presença de frequências incomensuráveis, que não possuem relação linear entre si, indicou uma progressão em direção ao caos, seguindo a rota de Ruelle-Takens-Newhouse. Esse mecanismo descreve a transição de sistemas dinâmicos de comportamento periódico para caótico com a introdução de três frequências incomensuráveis. Após a terceira frequência, o sistema apresenta comportamento caótico, caracterizado pela transição de atratores quase-periódicos para atratores estranhos e sensibilidade às condições iniciais. Essa abordagem não apenas evidenciou a relação entre os efeitos dinâmicos e o surgimento do ruído tonal, mas também demonstrou o mecanismo de emergência dos tons secundários a partir da evolução do sistema simulado. No caso com ângulo de ataque nulo (AoA = 0°), o estudo revelou a presença de uma quebra de simetria dinâmica no escoamento, caracterizada pela alternância entre regiões de sucção e pressão ao longo do perfil aerodinâmico. As variações no número de Reynolds apresentaram características semelhantes às do caso com ângulo de ataque não nulo, mas com ênfase no comportamento de quebra de simetria do escoamento (mesmo que para um perfil e condições inicias simétricas), indicando uma transição sensível a pequenas alterações nas condições do escoamento. Conforme a metodologia do estudo para AoA = 3?, foram observadas as mesmas transições de estados periódicos, quase-periódico e caótico; contudo, neste caso, foram exploradas as mudanças dinâmicas do escoamento entre estados simétrico periódico, simétrico quase-periódico, assimétrico periódico, assimétrico quase-periódico e caótico. Com base nos resultados obtidos, este estudo fornece uma contribuição para a compreensão das transições dinâmicas em escoamentos aerodinâmicos e sua relação com a geração de ruído tonal. A análise detalhada das transições periódicas, quase-periódicas e caóticas, bem como da quebra de simetria no escoamento, demonstra a aplicabilidade da teoria de sistemas dinâmicos para modelar fenômenos aeroacústicos complexos.

Keywords

Aeroacústica Redução de ruído Aerofólios Número de Reynolds Caos Escoamento compressível Bifurcação (Matemática) Aerodinâmica Engenharia aeronáutica