Multi-fidelity aeroacoustic prediction of an eVTOL rotor
Prévision aéroacoustique d'un rotor d'eVTOL par une approche multi-fidélité
Abstract
The rising interest in urban air mobility has brought new challenges in terms of noise pollution. Developing dedicated methods to accurately predict the noise generated by such aircraft configurations is thus a cornerstone to be able to meet the noise emission requirements in an urban environment. This work presents three numerical approaches, with different levels of fidelity, which aim at predicting the noise produced by such configuration: a lifting-line code with free wake, an innovative intermediate approach based on a Reynolds-averaged Navier–Stokes/Blade Element Theory (RANS/BET) coupling, and an Unsteady Reynolds-Averaged Navier–Stokes (URANS) approach. These methods are assessed on a rotor representative of those installed on an electric Vertical Take-Off and Landing (eVTOL) aircraft. A thorough comparison of the aerodynamic features and the noise predicted by each approach is presented for two challenging operating conditions, namely hover and edgewise flight. Their capacity to account for the effect of a supporting arm is also assessed. Only the URANS method is able to accurately predict the blade-vortex interactions that characterize both operating conditions as well as installation effects due to the supporting arm. The RANS/BET method has limitation in the capture of blade-vortex interaction while the lifting-line approach fails to predict accurately the installation effect. Nevertheless, those two proposed alternative approaches allow to significantly reduce the CPU and manpower costs inherent to the use of a URANS simulation with discrepancies in terms of mean and maximum levels lower than 3 dB in all the considered configurations.
L'intérêt croissant pour la mobilité aérienne urbaine a apporté de nouveaux défis en termes de nuisances sonores. Développer des méthodes dédiées pour prédire avec précision le bruit généré par de telles configurations d'aéronefs est donc une pierre angulaire pour pouvoir répondre aux exigences d'émission sonore en milieu urbain. Ce travail présente trois approches numériques, avec différents niveaux de fidélité, qui visent à prédire le bruit produit par une telle configuration : un code de ligne portante avec sillage libre, une approche intermédiaire innovante basée sur une théorie Navier–Stokes/Blade Element de Reynolds moyennée. (RANS/BET) et une approche Unsteady Reynolds-Averaged Navier–Stokes (URANS). Ces méthodes sont évaluées sur un rotor représentatif de ceux installés sur un appareil à décollage et atterrissage vertical à propulstion électrique (eVTOL). Une comparaison approfondie des caractéristiques aérodynamiques et du bruit prédit par chaque approche est présentée pour deux conditions de vol difficiles, à savoir le vol stationnaire et le vol d'avancement en palier rotor à plat. Leur capacité à rendre compte de l'effet d'un bras porteur est également évaluée. Seule la méthode URANS est capable de prédire avec précision les interactions pales-tourbillon qui caractérisent à la fois les conditions de fonctionnement ainsi que les effets d'installation dus au bras porteur. La méthode RANS/BET a une limitation dans la capture de l'interaction pale-tourbillon tandis que l'approche ligne protante ne parvient pas à prédire avec précision l'effet d'installation. Néanmoins, ces deux approches alternatives proposées permettent de réduire significativement les coûts CPU et de main d'œuvre inhérents à l'utilisation d'une simulation URANS avec des écarts en termes de niveaux moyens et maximaux inférieurs à 3 dB dans toutes les configurations considérées.