A fast numerical framework to compute acoustic scattering by poro-elastic plates of arbitrary geometry

Autor: Silva, Cristiano Pimenta, 1987
Přispěvatelé: Wolf, William Roberto, 1980, Ribeiro, Marcelo Leite, Bannwart, Flávio de Campos, Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de Engenharia Mecânica, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
Rok vydání: 2021
Předmět:
Zdroj: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)
Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)
instacron:UNICAMP
DOI: 10.47749/t/unicamp.2018.995560
Popis: Orientador: William Roberto Wolf Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: Uma metodologia numérica de baixo custo computacional é apresentada para o cálculo de espalhamento acústico em placas poro-elásticas de geometrias arbitrárias. O método de elementos de contorno, BEM, é aplicado para resolver a equação de Helmholtz submetida a condições de contorno relacionadas às vibrações estruturais da placa. Esta análise é realizada reescrevendo as condições de contorno do BEM em termos de uma base modal da placa poro-elástica que é calculada por uma ferramenta numérica que resolve o problema estrutural. A formulação atual permite uma solução direta do problema de interação fluido-estrutura completamente acoplado. A fim de acelerar a solução dos grandes sistemas lineares densos decorrentes da formulação BEM em problemas tridimensionais, um método de multipólos rápidos, FMM, com multi-níveis adaptativos de banda larga é empregado. Um estudo paramétrico é realizado para o espalhamento acústico de bordos de fuga para várias fontes acústicas, representativas de vórtices turbulentos não correlacionados ou de um jato turbulento não compacto. Os mecanismos físicos relacionados à redução de ruído devido à porosidade e elasticidade em frequências baixas e altas são discutidos. A redução de ruído pela combinação de porosidade e elasticidade com bordos de fuga enflexados e com extensões de serrilhados é investigada. As aplicações de espalhamento acústico também são apresentadas para aplicações aquáticas, onde as reduções de ruído são mais efetivas. Em geral, este trabalho mostra que as placas elásticas finitas são mais efetivas na redução do ruído espalhado para frequências mais altas. Por outro lado, a porosidade é mais eficaz na redução de ruído espalhado para frequências mais baixas. Os resultados demonstram que a elasticidade e a porosidade podem ser combinadas com bordos de fuga enflexados e com serrilhados no bordo de fuga para reduzir o ruído espalhado em um espectro mais amplo de freqüências para placas poro-elásticas. Diferentes configurações de interação fluido-estrutura são analisadas para placas com alongamentos baixos e altos. Uma avaliação do espalhamento acústico por placas isotrópicas metálicas e anisotrópicas de materias compósitos também é apresentada. Com a ferramenta numérica proposta, novos dispositivos podem ser projetados e otimizados para obter um espalhamento acústico mais eficiente para aplicações aéreas e aquáticas Abstract: We present a fast numerical framework for the computation of acoustic scattering by poro-elastic plates of arbitrary geometries. A boundary element method, BEM, is applied to solve the Helmholtz equation subjected to boundary conditions related to structural vibrations. This analysis is performed by rewriting the BEM boundary conditions in terms of a modal basis of the poro-elastic plate which is computed by a structural solver. The current formulation allows a direct solution of the fully coupled fluid-structure interaction problem. In order to accelerate the solution of the large dense linear systems arising from the BEM formulation in three-dimensional problems, a wideband adaptive multi-level fast multipole method, FMM, is employed. A parametric study is carried out for the trailing-edge scattering of sample acoustic sources, representative of either uncorrelated turbulent eddies or a non-compact turbulent jet. We discuss about the physical mechanisms related to the reduction of noise scattering due to porosity and elasticity at low and high frequencies. Noise reduction by the combination of porosity and elasticity with swept and serrated trailing edges is demonstrated. Applications of acoustic scattering are also shown for underwater applications, where the most effective noise reductions are obtained. Overall, it is shown that finite elastic plates are more effective in reducing the scattered noise at higher frequencies. On the other hand, porosity is more effective in reducing the radiated sound for lower frequencies. Results demonstrate that elasticity and porosity can be combined with trailing-edge sweep and serrations to reduce the scattered noise at a broad range of frequencies for poro-elastic plates. Different fluid-structure interaction configurations are analyzed for plates of low and high aspect ratios. We also present an assessment of noise scattering by isotropic metallic and anisotropic composite plates. With the current numerical framework, novel low-noise-emission devices can be designed for aerial and underwater applications Mestrado Térmica e Fluídos Mestre em Engenharia Mecânica CAPES 1581546 CNPQ
Databáze: OpenAIRE
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