Aeroacoustic analysis of a UHBR engine with a variable area nozzle using semi-empirical methods

The civil aviation industry is currently moving towards engines with higher bypass ratios to improve environmental sustainability and operational efficiency. Variable area nozzles are a critical component of these technologies, providing dynamic adjustments to optimise engine performance under different operating conditions. The objective of this study is to perform an analysis of the aeroacoustic performance of a high bypass ratio turbofan engine equipped with a variable geometry nozzle. The approach adopted is based on the use of semi-empirical models, in particular those implemented in CHalmers nOIse Code (CHOICE), an open source aircraft noise estimation framework. Specifically, the Sound Pressure Level (SPL) at the source and at the microphone are evaluated for the jet, the fan and the whole aircraft. Considerations on the Effective perceived noise level (EPNL) for noise regulations are presented. The analysis focuses on the three designated noise certification points for a commercial aircraft: approach, sideline and cutback. In each of these scenarios, the effect of the variable geometry nozzle on noise emissions is studied, allowing a quantitative assessment of its impact in the context of each operational phase. A reduction in jet noise of up to -1.4 dB can be achieved with a nozzle opening of 20%. Similarly, fan noise can be reduced by up to -2 dB. The greatest reduction in total aircraft noise is achieved with a -1 dB difference.

L’industria dell’aviazione civile è in continua evoluzione verso l’adozione di motori turbofan con elevato rapporto di bypass, mirando a migliorare le prestazioni ambientali ed operative. In questo contesto, gli ugelli a geometria variabile rivestono un ruolo fondamentale, permettendo ottimizzazioni nelle prestazioni del motore in diverse condizioni operative. Lo scopo di questo studio è condurre un’analisi aeroacustica su un motore con elevato rapporto di bypass dotato di ugello a geometria variabile. L’approccio adottato si basa sull’utilizzo di modelli semi-empirici, specificatamente quelli integrati in CHOICE, un framework open source per la stima del rumore di un velivolo. In particolare, il livello di pressione sonora è valutato alla sorgente e al microfono per il getto, fan e l’intero aeromobile. Inoltre, viene valutato anche l’EPNL (Equivalent Perceived Noise Level) al fine di valutare la conformità alle normative sul livello di rumore. L’analisi si concentra infatti sulle tre fasi di certificazione sonora per un velivolo commerciale: approach, sideline e cutback. In ciascuna di queste fasi si analizza l’effetto della geometria variabile sul rumore emesso dalle diverse sorgenti, giungendo ad una valutazione quantitativa per ogni fase operativa. Con’apertura del 20% dell’area di bypass, si osserva una riduzione del rumore del getto pari a -1.4 dB. In maniera simile il rumore generato dal fan registra una diminuzione di -2 dB. La riduzione più importante per l’aereo completo si trova essere invece di -1 dB.