On the Mechanism of Lateral Asymmetry of Noise Emission from a Propeller Installed Near a Wing

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The effect of lateral asymmetry in the radiation pattern of a propeller installed near the wing is studied. Within the framework of a simplified theoretical model of the propeller loading noise and its shielding by a half-plane, as well as using numerical modeling of the interaction of the propeller with a flat finite plate, it is shown that when the propeller and the scattering surface are close to each other, a significant lateral asymmetry of the propeller tonal noise emission in the far field appears. The mechanism of this effect, which accompanies the symmetrical sound directivity of the propeller itself and the symmetry of the scatterer (wing), is associated with the phased summation of the sound field emitted directly by the propeller and the secondary sound field generated on the surface of the wing due to the scattering of disturbances (mainly hydrodynamic) created by the propeller on the leading edge of the wing. Thus, the study demonstrated that the presence of lateral asymmetry in the noise radiation pattern inherent in propeller-driven aircraft is a consequence of the interaction of the propellers and closely spaced wings.

Full Text

Restricted Access

About the authors

V. F. Kopyev

Central Aerohydrodynamic Institute

Author for correspondence.
Email: aeroacoustics@tsagi.ru
Russian Federation, Moscow

N. N. Ostrikov

Central Aerohydrodynamic Institute

Email: aeroacoustics@tsagi.ru
Russian Federation, Moscow

G. A. Faranosov

Central Aerohydrodynamic Institute

Email: aeroacoustics@tsagi.ru
Russian Federation, Moscow

V. A. Titarev

Central Aerohydrodynamic Institute; Federal Computer Science and Control Research Center of the Russian Academy of Sciences

Email: aeroacoustics@tsagi.ru
Russian Federation, Moscow; Moscow

S. L. Denisov

Central Aerohydrodynamic Institute

Email: aeroacoustics@tsagi.ru
Russian Federation, Moscow

R. V. Akinshin

Central Aerohydrodynamic Institute

Email: aeroacoustics@tsagi.ru
Russian Federation, Moscow

References

  1. Международные стандарты и Рекомендуемая практика. Приложение 16 к Конвенции о международной гражданской авиации. Охрана окружающей среды. Том 1. Авиационный шум. Изд. 7, 2014 г.
  2. Serrano J.R., Tiseira A.O., García-Cuevas L.M., Varela P. Computational Study of the Propeller Position Effects in Wing-Mounted, Distributed Electric Propulsion with Boundary Layer Ingestion in a 25 kg Remotely Piloted Aircraft // Drones 2021–2021, V. 5. No. 3. P. 56. https://doi.org/10.3390/drones5030056
  3. Carley M. Shielding of rotor noise by plates and wings // Acta Acustica. 2022. V. 6. No 27.
  4. Hanson L., Baskaran K., Zang B., Azarpeyvand M. Acoustic Shielding and Scattering Effects of a Propeller Mounted Above a Flat Plate // Proc.: Internoise 2022. Institute of Noise Control Engineering, 2022.
  5. Roger M., Acevedo-Giraldo D., Jacob M.C. Acoustic versus aerodynamic installation effects on a generic propeller-driven flying architecture // Int. J. Aeroacoustics. 2022. V. 21(5–7). P. 585–609.
  6. Hanson L., Baskaran K., Zang B., Azarpeyvand M. Aeroacoustic Interactions of a Trailing Edge Mounted Propeller and Flat Plate // In 28th AIAA/CEAS Aeroacoustics Conference, 2022, AIAA 2022–2937.
  7. Chaitanya P., Cho M., Palleja-Cabre S., Akiwate D.C., Joseph P., Westcott O., Ferraro M. Aeroacoustics source mechanisms of fixed-wing VTOL configuration // In AIAA AVIATION2023 Forum, AIAA 2023–3356
  8. Acevedo-Giraldo D., Roger M., Jacob M.C. Experimental Study of the Aerodynamic Noise of a Pair of Pusher-Propellers Installed Over a Wing // In AIAA AVIATION2023 Forum, AIAA 2023–3359.
  9. Ostrikov N.N., Denisov S.L. Airframe Shielding of Noncompact Aviation Noise Sources: Theory and Experiment // AIAA Paper 2015–2691, June 2015.
  10. Денисов С.Л., Копьев В.Ф., Остриков Н.Н., Фараносов Г.А., Чернышев С.А. Использование корреляционной модели случайных квадрупольных источников для расчета эффективности экранирования шума турбулентной струи на основе геометрической теории дифракции // Акуст. журн. 2020. Т. 66. № 5. С. 540–555.
  11. Денисов С.Л., Остриков Н.Н., Панкратов И.В. Исследование возможности замены планера самолета интегральной компоновки на плоский полигональный экран для оценки эффективности экранирования шума двигателей на основе геометрической теории дифракции // Акуст. журн. 2020. Т. 66. № 6. С. 622–631.
  12. Денисов С.Л., Остриков Н.Н., Гранич В.Ю. Проблемы снижения шума авиационных силовых установок с помощью эффекта экранирования // Акуст. журн. 2021. Т. 67. № 3. С. 298–302.
  13. Беляев И.В., Копьев В.Ф., Титарев В.А. Разработка нового подхода к расчету шума винтов с использованием суперкомпьютеров // Ученые записки ЦАГИ. 2014. Т. XLV. № 2. С. 78–106.
  14. Титарев В.А., Фараносов Г.А., Чернышев С.А., Батраков А.С. Численное моделирование влияния взаимного расположения винта и пилона на шум турбовинтового самолета // Акуст. журн. 2018. Т. 64. № 6. С. 722–736.
  15. Лазарев Л.А., Титарев В.А., Голубев А.Ю. Оптимизация силового набора подкрепленной оболочки под действием акустического поля винта // Акуст. журн. 2022. Т. 68. № 3. С. 323–329.
  16. Фелсен Л., Маркувиц И. Излучение и рассеяние волн. М: Издательство “Мир”, 1978. Т. 2. 555 с.
  17. Бычков О.П., Фараносов Г.А. Анализ взаимной связи модовой структуры пульсаций ближнего поля струи и шума взаимодействия струи и крыла // Акуст. журн. 2020. Т. 66. № 1. С. 34–45.
  18. Бычков О.П., Фараносов Г.А. Валидация двухточечной модели шума взаимодействия струи и крыла для реалистичной конфигурации // Акуст. журн. 2023. Т. 69. № 2. С. 146–154.
  19. Hirt C.W., Amsden A.A., Cook J.L. An arbitrary Lagrangian-Eulerian computing method for all flow speeds // J. Comput. Phys. 1974. V. 14. P. 227–253.
  20. Gaburro E., Dumbser M., Castro M.J. Direct Arbitrary-Lagrangian-Eulerian finite volume schemes on moving nonconforming unstructured meshes // Comput. and Fluid. 2017. V. 159. P. 254–275.
  21. Dumbser M., Käser M., Titarev V.A., Toro E.F. Quadrature-free non-oscillatory finite volume schemes on unstructured meshes for nonlinear hyperbolic systems // J. Computational Physics. 2007. V. 221. № 2. P. 693–723.
  22. Toro E.F., Spruce M., Speares W. Restoration of the contact surface in the Harten-Lax-van Leer Riemann solver // J. Shock Waves. 1994. V. 4. P. 25–34.
  23. Jameson А. Time-Dependent Calculations Using Multrigrid, with Application to Unsteady Flows past Airfoils and Wings // AIAA paper 91–1596, 1991.
  24. Yoon S., Jameson A. Lower-upper Symmetric-Gauss-Seidel method for the Euler and Navier-Stokes equations // AIAA J. 1988. V. 26(9). P. 1025–1026.
  25. Men’shov I.S., Nakamura Y. On implicit Godunov’s method with exactly linearized numerical flux // Computers and Fluids. 2000. V. 29(6). P. 595–616.
  26. Najafi-Yazdi A., Bres G.A., Mongeau L. An Acoustic Analogy Formulation for Moving Sources in Uniformly Moving Media // Proc. Royal Soc. A. 2011. V. 467. P. 144–165.
  27. Зайцев М.Ю., Копьев В.Ф., Величко С.А., Беляев И.В. Локализация и ранжирование источников шума самолета в летных испытаниях и сравнение с акустическими измерениями крупномасштабной модели крыла // Акуст. журн. 2023. Т. 69. № 2. С. 165–176.
  28. Демьянов М.А. Корреляционный метод идентификации акустических источников с помощью многомикрофонных измерений // Акуст. журн. 2022. Т. 68. № 6. С. 638–646.
  29. Копьев В.Ф., Ершов В.В., Храмцов И.В., Кустов О.Ю. Повышение точности локализации дипольных источников звука с помощью плоских микрофонных антенн // Акуст. журн. 2023. Т. 69. № 2. С. 191–206.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Illustration of the geometry of the source location near an infinite half-plane and the location of the observation plane

Download (52KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Distribution of sound pressure level modes at the observation plane at frequency f = 400 Hz: (a) - field of an isolated screw with no screen at ys = 175 mm; (b) - field taking into account geometrical screening at ys = 175 mm; (c) - total field from a screw with a screen at ys = 175 mm; (d) - total field from a screw with a screen at ys = 200 mm; (e) - diffracted field at ys = 175 mm

Download (487KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Distribution of amplitude and phase of the diffracted sound field from the coordinate zv on the line xv = 0 and yv = -5 mm at ys = 175 mm at frequency f = 400 Hz

Download (88KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. (a) - Distribution of local blade setting angle β along the radius; (b) - Distribution of relative chord (1) and relative thickness (2) of the profile along the radius

Download (63KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Schematic of single propeller tests in the plugged chamber AK-2

Download (626KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Schematic of screw and plate arrangement in the calculation

Download (55KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. (a) - Scheme of the design area; (b) - cross-section of the design area by the vertical plane of symmetry

Download (597KB)
Indexing metadata
9. Fig. 8. Top - surface mesh on the blade, bottom - cross-section of the blade and washer with a plane at radius r / R = 0.8

Download (136KB)
Indexing metadata
10. Fig. 9. FWH control surfaces for noise calculation: (a) - isolated screw; (b) - screw with plate

Download (96KB)
Indexing metadata
11. Fig. 10. Dependence of propeller thrust coefficient on relative pitch, line - numerical modelling data; markers - experiment in AK-2

Download (50KB)
Indexing metadata
12. Fig. 11. Propeller noise characteristics for θ = 95°: (a) - time sweep of pressure during two propeller revolutions; (b) - noise spectra. 1 - experiment, 2 - calculation

Download (152KB)
Indexing metadata
13. Fig. 12. Directionality of tonal components of propeller noise: 1 - for frequency f = fBPF 400 Hz; 2 - for frequency f = 2 fBPF; 3 - for frequency f = 3 fBPF. Symbols - experiment, lines - calculation

Download (74KB)
Indexing metadata
14. Fig. 13. Schematic of the noise output area for comparing the isolated screw and plate screw cases

Download (111KB)
Indexing metadata
15. Fig. 14. Level distributions (in dB) of the fundamental harmonic of the tone noise of an isolated screw obtained using different control surfaces: (a) - FHW1; (b) - FWH2; (c) - FWH3; (d) - FWH4

Download (339KB)
Indexing metadata
16. Fig. 15. (a) - Comparison of instantaneous fields of longitudinal velocity and (b) - curl modulus for a single propeller and a propeller with a plate at ∆y = ∆x and ∆y = 2∆x (from top to bottom)

Download (169KB)
Indexing metadata
17. Fig. 16. Instantaneous fields div V: (a) - isolated screw; (b) - screw with plate ∆y = ∆x, solid arrows show directions of noise amplification, dotted arrows - noise attenuation compared to isolated screw

Download (214KB)
Indexing metadata
18. Fig. 17. Level distributions of the fundamental harmonic of the tonal noise (a) - isolated screw and screw with plate (∆y = ∆x): (b) - FWH1; (c) - FWH2; (d) - FWH1 and FWH2; (e) - FHW3; (f) - FWH4; (g) - FWH5; (h) - FWH6

Download (505KB)
Indexing metadata
19. Fig. 18. (a) - Radiation contribution from the plate leading edge zone; (b) - total sound field from the screw and from the plate leading edge zone (∆y = ∆x)

Download (175KB)
Indexing metadata
20. Fig. 19. (a) - Total field from the screw and from the plate; (b) - Total field from the screw and from the plate leading edge area (∆y = 2∆x)

Download (174KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 The Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».