Repositório UNIFEI UNIFEI - Campus 1: Itajubá PPG - Programas de Pós Graduação Teses
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Tipo: Tese
Título: Metodologia de projeto de ventiladores axiais de baixo ruído através de análises aeroacústicas
Autor(es): ÂNGULO, Tania Marie Arispe
Primeiro Orientador: CAMACHO, Ramiro Gustavo Ramirez
metadata.dc.contributor.advisor-co1: OLIVEIRA, Waldir de
Resumo: O estudo e análises do som gerado por escoamentos, tem se tornado cada vez mais importante em diversas áreas da indústria desde equipamentos eletrodomésticos até sistemas de propulsão aeronáutica. Um caso particular é o ruído gerado por ventiladores axiais aplicados nos sistemas de resfriamento nos grupos geradores. Estes equipamentos representam fontes de ruído consideráveis que devem ser tratadas de forma a não ultrapassar os limites admissíveis. Nesse sentido diversos estudos vêm sendo realizados com o intuito de analisar e propor técnicas de controle de ruído ocasionado pelo escoamento do ventilador. Sendo assim, a aeroacústica tem-se tornado um tópico importante a ser considerado para o estudo e identificação das fontes de ruído e para a análise de técnicas de redução do ruído gerado pelo escoamento do rotor que possam ser incorporadas desde a fase do projeto. Este trabalho apresenta uma metodologia para o projeto aeroacústico de rotores de ventiladores de fluxo axial, considerando a teoria da asa de sustentação, a condição de equilíbrio radial, a condição de vórtice livre e forçado e a incorporação do efeito sweep com base numa função cúbica, como técnica de controle de ruído aerodinâmico. A metodologia de análise utilizada baseia-se na integração de técnicas de Dinâmica dos Fluidos Computacional (DFC) e modelos de predição de ruído para determinar as principais características de desempenho dos ventiladores e para avaliar a influência das variações geométricas (sweep) incorporadas, nos campos acústicos e aerodinâmicos do ventilador. As análises numéricas foram realizadas a partir de simulações em regime permanente para a obtenção das curvas características do ventilador e a identificação das fontes de ruído local. Numa segunda abordagem, em regime transiente foi analisado o nível de pressão sonora em função de frequência para a análise do comportamento aeroacústico considerando a norma ISO 13347-3: 2004 para o posicionamento dos receptores. A metodologia da simulação para obter as grandezas aerodinâmicas foi validada através dos ensaios experimentais de um ventilador de pás de espessura constante sem torção. Os experimentos foram realizados no banco de testes adequado às normas ASHRAE (Norma 5175) / AMCA (Norma 210-74) do Laboratório de Ventiladores (LabVent) do IEM/UNIFEI. A principal contribuição da metodologia proposta neste trabalho é a incorporação de mecanismos de controle de ruído aerodinâmico desde a etapa do projeto através de uma abordagem com baixo custo computacional que consiste numa análise de sensibilidade para determinar os parâmetros que permitem diminuir as fontes locais de ruído aerodinâmico sem comprometer o as características de desempenho aerodinâmico. Os resultados mostraram que os projetos com a incorporação do sweep com base na condição de vórtice livre e vórtice forçado reduzem as fontes de ruído e melhoram o desempenho aerodinâmico do ventilador em comparação com a geometria base do rotor. É importante destacar que os rotores dos ventiladores axiais projetados apresentam um comportamento aerodinâmico consistente em termos de rendimento hidráulico e pressão total, uma vez que os valores máximos de rendimento estão distantes da região de estol.
Abstract: The study and analysis of the sound generated by flows has become increasingly important in several areas of the industry, from household appliances to aeronautical propulsion systems. A particular case is the noise generated by axial fans applied to the cooling systems in the generator sets. These equipment represent considerable noise sources that must be treated so as not to exceed the permissible limits. In this sense, several studies have been carried out with the aim of analyzing and proposing noise control techniques caused by the fan flow. Therefore, aeroacoustics has become an important topic to be considered for the study and identification of noise sources and for the analysis of noise reduction techniques generated by rotor flow that can be incorporated from the design stage. This work presents a methodology for the aeroacoustic design of axial flow fan rotors, considering the lift wing theory, the radial equilibrium condition, the free and non-free vortex condition and the incorporation of the sweep effect based on a cubic function, as an aerodynamic noise control technique. The analysis methodology used is based on the integration of Computational Fluid Dynamics (CFD) techniques and noise prediction models to determine the main performance characteristics of fans and to evaluate the influence of the incorporated geometric variations (sweep) in the acoustic and aerodynamic fields of the fan. Numerical analyzes were performed based on steady-state simulations to obtain fan characteristic curves and identify local noise sources. In a second approach, in transient regime, the sound pressure level was analyzed as a function of frequency for the analysis of the aeroacoustic behavior considering the ISO 13347-3: 2004 standard for the positioning of the receivers. The simulation methodology to obtain the aerodynamic magnitudes was validated through the experimental tests of a fan with constant thickness blades without torsion. The experiments were carried out in the test bench suitable for ASHRAE (Norma 5175) / AMCA (Norma 210-74) standards of the Ventilator Laboratory (LabVent) of IEM/UNIFEI. The main contribution of the methodology proposed in this work is the incorporation of aerodynamic noise control mechanisms from the design stage through an approach with low computational cost that consists of a sensitivity analysis to determine the parameters that allow reducing the local sources of aerodynamic noise without compromising the aerodynamic performance characteristics. The results showed that designs incorporating sweep based on free vortex and forced vortex condition reduce noise sources and improve the aerodynamic performance of the fan compared to the base rotor geometry. It is important to highlight that the designed axial fan rotors present a consistent aerodynamic behavior in terms of hydraulic efficiency and total pressure, since the maximum efficiency values are far from the stall region.
Palavras-chave: Ventilador axial
Vórtice livre
Vórtice forçado
Sweep
Ruído aerodinâmico
CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECÂNICA
Idioma: por
País: Brasil
Editor: Universidade Federal de Itajubá
Sigla da Instituição: UNIFEI
metadata.dc.publisher.department: IEM - Instituto de Engenharia Mecânica
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação: Doutorado - Engenharia Mecânica
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
URI: https://repositorio.unifei.edu.br/jspui/handle/123456789/3413
Data do documento: 28-Jul-2022
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