Effect of blade sweep on low-speed fan broadband noise

Abstract

Cette étude vise à comprendre la mécanique de réduction de bruit afin de mitiger le bruit large bande en utilisant l’angle de flèche tout en préservant le rendement aérodynamique. Nous avons choisi des modèles et outils de calculs afin de comprendre le comportement aérodynamique ainsi que le bruit généré par l’angle de flèche. En premier lieu, une simulation Reynolds Averaged Navier Stokes (RANS) est utilisée afin d’évaluer le champ d’écoulement. Ensuite, une méthode Lattice Boltzmann (LBM) haute-fidélité est utilisée afin de prédire la radiation sonore. LBM nous permet de déterminer la source des bruits combinés. Finalement, afin de séparer le bruit large bande généré par les turbulences, nous avons adapté le modèle d’Amiet's leading-edge afin de représenter l’angle de flèche d’un ventilateur axial. Nos résultats indiquent que le dévers de pale avant surpasse le dévers de pale arrière pour la région décrochage, la radiation sonore et la consommation énergétique lorsque les performances aérodynamique est restaurée.

Le bruit produit par le ventilateur de radiateur devient une préoccupation croissante. En effet, les véhicules électriques modernes ne produisent pas le bruit engendré par les groupes motopropulseurs et moteurs traditionnels. Fondé sur une revue de littérature, nous avons classé les différentes sources de bruit ainsi que leur contribution sur le spectre acoustique. Les concepts de dévers de pale avant et arrière ont démontré un potentiel avantage de réduction de bruit large bande aux détriments du rendement aérodynamique. Par conséquent, cette approche est très peu utilisée dans l'industrie. Cette étude vise à comprendre la mécanique de réduction de bruit afin de mitiger le bruit large bande en utilisant l'angle de flèche tout en préservant le rendement aérodynamique. Nous avons choisi des modèles et outils de calculs afin de comprendre le comportement aérodynamique ainsi que le bruit généré par l'angle de flèche. En premier lieu, une simulation Reynolds Averaged Navier Stokes (RANS) est utilisée afin d'évaluer le champ d'écoulement. Ensuite, une méthode Lattice Boltzmann (LBM) haute-fidélité est utilisée afin de prédire la radiation sonore. LBM nous permet de déterminer la source des bruits combinés. Finalement, afin de séparer le bruit large bande généré par les turbulences, nous avons adapté le modèle d'Amiet's leading edge afin de représenter l'angle de flèche d'un ventilateur axial. Nos résultats indiquent que le dévers de pale avant surpasse le dévers de pale arrière pour la région décrochage, la radiation sonore et la consommation énergétique lorsque les performances aérodynamique est restaurée. Nous recommandons le dévers de pale avant afin de réduire le bruit de large bande émis par le ventilateur du radiateur. Cependant, des recherches additionnelles seront nécessaires afin d'évaluer le bruit tonal. Ces recherches pourront renforcer l'utilisation de l'angle de flèche dans la conception de pales.

Abstract : The radiator fan noise is becoming a growing concern since other noise sources radiated from traditional powertrains and combustion engines are omitted in modern electric vehicles. Based on a literature review, we classified the noise sources and their contribution in noise spectra. The forward sweep and backward sweep showed a strong potential in broadband noise reduction but at the cost of loss in aerodynamic efficiency. Hence, this skepticism restrained from its wide usage in fan design. Therefore, this study aims at understanding the noise reduction mechanism so that to mitigate broadband noise using blade sweep by preserving its aerodynamic performance. The various computational tools are used to investigate the aerodynamic behavior and its associated noise in swept blades. First, an industry-friendly steady Reynolds Averaged Navier Stokes (RANS) simulation technique is assessed to investigate the flow field and later a high-fidelity, unsteady Lattice Boltzmann method (LBM) is evaluated to predict the noise radiation. LBM provides the combined knowledge of all noise sources. So, finally, to segregate broadband noise generated due to turbulence interaction, we adapted Amiet's leading-edge noise prediction tool to the swept blade of an axial fan. The results indicate that forward sweep has improved pressure rise by almost 25% than backward sweep and unswept blade when designed for similar loadings. In addition, the forward sweep has reduced noise levels by 12 dB than unswept blade. We recommend using a forward sweep to reduce broadband noise emitted by the radiator fan based on our findings. However, further research is needed to investigate tonal noise that could strengthen the usage of sweep in blade design.