Il NASA Glenn sviluppa strumenti avanzati di modellazione del rumore dei getti per prevedere e ridurre i livelli sonori dei futuri motori aeronautici

I gruppi di ricerca del NASA Glenn Research Center stanno costruendo le basi teoriche e gli strumenti software necessari per prevedere quanto saranno rumorosi i motori aeronautici—un lavoro che confluisce direttamente nella progettazione e nella valutazione dei sistemi propulsivi di nuova generazione. Molti di questi codici sono disponibili per ingegneri e ricercatori, su richiesta, tramite il NASA’s Software Catalog.

Una direttrice principale dell’attività riguarda la previsione del rumore del getto (jet noise), un problema che collega aerodinamica, turbolenza e acustica. Il codice JeNo di NASA Glenn affronta la sfida utilizzando l’Analogia Acustica di Lilley insieme a input di flusso medio generati da un risolutore Reynolds-Averaged Navier–Stokes (RANS). Questo accoppiamento è determinante: l’accuratezza della previsione sonora dipende in larga misura dall’accuratezza della soluzione aerodinamica sottostante. Per questo motivo, la ricerca NASA sul rumore del getto non si ferma alla sola acustica. La modellazione delle sorgenti (source modeling), la modellazione della turbolenza (turbulence modeling) e lo sviluppo di sistemi di misura avanzati sono tutti elementi centrali per migliorare la capacità predittiva complessiva.

Un vantaggio degli approcci basati su RANS come JeNo è la velocità. Possono fornire risultati molto più rapidamente rispetto ad alternative a maggiore fedeltà come la Large-Eddy Simulation (LES) o la Direct Numerical Simulation (DNS), che in genere sono molto più onerose dal punto di vista computazionale. JeNo è progettato per calcolare la densità spettrale sonora in campo lontano (far-field) per getti assialsimmetrici, consentendo agli utenti di specificare la posizione dell’osservatore e un intervallo di frequenze di interesse. La NASA riferisce che JeNo è stato validato per getti assialsimmetrici subsonici e debolmente supersonici non riscaldati.

Prima di JeNo, NASA Glenn aveva sviluppato il codice di previsione del rumore del getto MGBK. I ricercatori hanno utilizzato MGBK per esaminare come cambiano le tendenze del rumore del getto in configurazioni complesse degli ugelli di scarico del motore. Un’applicazione rilevante è stata la valutazione dell’impatto di riduzione del rumore dei chevrons—elementi seghettati sul bordo dell’ugello oggi comunemente visibili sui motori turbofan commerciali.

Il portafoglio di NASA Glenn include anche una suite di strumenti dedicati al rumore del fan, in particolare alle componenti tonali e a banda larga associate alle interazioni rotore–statore. Il codice V072 utilizza rappresentazioni semplificate del flusso e della geometria del fan, ma ha dimostrato utilità nello studio del rumore tonale da interazione rotore/statore. È pensato per valutazioni rapide nelle fasi iniziali di un ciclo di progettazione, supportando decisioni su variabili quali il numero di pale e di palette, la distanza tra le file di rotore e statore e lo sweep e il lean delle palette di statore—parametri che influenzano fortemente i livelli di rumore tonale in uno stadio di fan.

Per un’opzione più avanzata ma comunque veloce in esecuzione, la NASA offre TFaNS. Come V072, prevede i livelli tonali rotore–statore, ma include anche l’accoppiamento acustico tra file palari (blade-row acoustic coupling)—tenendo conto di effetti quali trasmissione e riflessione—e può propagare i toni fino al campo lontano. Questo lo rende utile per studi di tendenza, mantenendo tempi di risposta compatibili con il lavoro di progettazione nelle fasi iniziali.

Quando una fisica semplificata non è più sufficiente, Linflux offre un percorso a maggiore fedeltà. È sviluppato per gestire flussi tridimensionali realistici e geometrie delle pale, richiedendo risorse di calcolo sostanzialmente superiori rispetto a V072 o TFaNS. Linflux prevede il rumore tonale rotore/statore ed è stato validato con cura rispetto a misure sperimentali, in linea con le pratiche di validazione adottate nell’Acoustics Branch di NASA Glenn.

Il rumore a banda larga delle ventole è affrontato da BFANS, che stima il rumore generato quando la turbolenza investe i bordi d’attacco delle pale del rotore e delle palette dello statore. Il codice si basa su input quali l’intensità della turbolenza e una scala di lunghezza caratteristica. La NASA osserva che l’abbinamento dei calcoli BFANS con risultati sperimentali—including test in facilities like Glenn’s 9-by-15-foot Low Speed Wind Tunnel—può aiutare a individuare quali componenti dello stadio della ventola contribuiscano maggiormente al rumore complessivo.

Un altro strumento incentrato sulla banda larga, RSI, mira al rumore prodotto quando la turbolenza nella scia del rotore della ventola interagisce con le palette guida d’uscita. Il codice calcola lo spettro di rumore a banda larga risultante e determina gli spettri di potenza acustica a monte e a valle dello statore.

Perché è importante

Il rumore degli aeromobili incide sulle comunità vicine agli aeroporti, influenza la conformità normativa e può vincolare le scelte progettuali di aeromobili e motori. La combinazione, presso NASA Glenn, di strumenti di progettazione a esecuzione rapida e modelli più dettagliati basati sulla fisica mira ad aiutare l’industria a valutare il rumore in modo più precoce e affidabile—prima che venga realizzato hardware costoso. Il prossimo passo da seguire è la prosecuzione della validazione e l’ampliamento di questi modelli a un maggior numero di condizioni operative e a geometrie più realistiche, man mano che migliorano le capacità di misura.