Study of the noise and aerodynamics of a propeller used in drones by applying a low-fidelity method

Abstract

O ruído gerado por drones multirotores é uma das barreiras para a intensa exploração desses equipamentos. Em virtude disso, estudos aeroacústicos foram realizados para estimar e reduzir a poluição sonora. As principais estratégias de simulação para realizar esses estu dos são normalmente associadas a complexos e custosos modelos computacionais, o que não são adaptadas às fases iniciais do projeto de hélices. Assim, uma metodologia adaptada a esta etapa de projeto é apresentada neste trabalho. Para isto, o modelo Vortex Lattice foi utilizado para a predição de performance aerodinâmica das hélices, e a analogia aeroacústica de Ffowcs Williams e Hawkings para os cálculos acústicos. Com o objetivo de tornar isto possível, os softwares OpenVSP e PSU-WOPWOP foram utilizados. Para avaliar a metodologia, análises sobre a qualidade de discretização geométrica das hélices, bem como os parâmetros tempo rais associados a simulação foram realizados. Além disso, um estudo para a validação dos dados aerodinâmicos e aeroacústico foi realizado, comparando os resultados calculados pela metodologia com dados experimentais disponíveis na literatura. Concluiu-se que o nível de pressão sonora global (overall sound pressure level) observado é subestimado em relação ao experimento, entretanto o nível sonoro em frequências específicas, como a frequência de pas sagem de pá, possui uma boa correlação. A metodologia foi ainda acoplada a um algoritmo de otimização diferencial para permitir a otimização da geometria das pás, objetivando a redução do ruído gerado.

Le bruit généré par les drones multi-rotors est l’un des contraintes pour une exploration intense de ces équipements. Pour cela, des études aéro-acoustiques sont réalisées afin de prévoir et réduire la nuisance sonore. Les principales stratégies de simulation pour réaliser ces études sont généralement associées à un lourd modèle de dynamique des fluides numérique (CFD), qui n’est pas adapté à la phase préliminaire de conception des hélices. Ainsi, une méthodologie pour être appliquée dans cette phase du projet est proposée dans ce travail. Ici, la méthode « Vortex Lattice » a été utilisée pour la prédiction aérodynamique et l’analogie acoustique de Ffowcs-Williams et Hawkings pour le calcul acoustique. Pour rendre cela possible, les logiciels OpenVSP et PSU-WOPWOP ont été utilisés. Pour évaluer la méthodologie, des analyses sur la discrétisation spatiale et temporelle et le nombre de révolutions simulées ont été effectuées. De plus, une étude de validation aérodynamique et acoustique a été réalisée, comparant les résultats aux données expérimentales, où le overall sound pressure level est sous-estimé, mais le niveau sonore à la fréquence de passage des pales est bien corrélé. La méthodologie a également été associée à un algorithme d’évolution différentielle pour optimiser la géométrie des pales afin de réduire les nuisances sonores.