Aeroacústica de barras transversais de teto automotivas

Orientador: William Roberto Wolf Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: Redução de ruído aeroacústico é uma crescente preocupação na indústria automotiva. Com a proliferação de Veículos Elétricos e Direção Autônoma, os ocupantes de um veículo estarão mais suscetíveis a ruídos aerodinâmicos. Os fenômenos aeroacústicos de natureza tonal são os mais severos em veículos automotores. Bagageiros de teto possuem uma barra transversal diretamente exposta ao escoamento e geram ruído em banda larga e um tonal aeólico característico. Atualmente, as soluções aplicadas ao ruído tonal são empíricas, sustentadas pelo fato de os perfis comerciais não serem rombudos como um cilindro, nem finos como um perfil de asa. O objetivo deste trabalho é investigar os mecanismos de geração de ruído em barras transversais de teto com perfil elíptico, através de medições acústicas em pista. Na primeira parte do projeto, medições de pressão e intensidade sonora feitas em pista e em túnel de vento aeroacústico foram correlacionadas com o objetivo de avaliar a precisão e repetitividade dos testes em pista. A medição de pressão sonora com um único microfone posicionado fora do veículo se demonstrou um método preciso na captura de efeitos de banda larga e estreita, apesar da condição não controlada do ruído de fundo. A interação da esteira da barra com o teto também foi avaliada através de medições acústicas de referência e visualização de escoamento. Na segunda parte, o ruído gerado por um perfil elíptico foi comparado ao ruído gerado por um cilindro circular e por um perfil NACA 0012 de mesma espessura e nas mesmas condições de operação. Os resultados mostraram que as características do ruído do perfil elíptico se aproximam às do cilindro circular em números de Reynolds mais baixos, e às do perfil NACA 0012 em velocidades mais altas. Na etapa seguinte, investigou-se o efeito de alterações geométricas do perfil elíptico no ruído gerado. Diferentes combinações de bordo de ataque e fuga foram testadas e demonstraram que o bordo de fuga é o principal contribuinte para o ruído tonal, enquanto que o bordo de ataque está associado ao ruído em banda larga. Bordos de fuga finos foram capazes de eliminar completamente o ruído tonal. Ângulos de incidência positivos e negativos apresentaram tendências contrárias em relação à redução de ruído, e se demonstraram soluções não efetivas em altas velocidades. Por final, soluções conhecidas como perturbação da camada limite foram testadas e comparadas com soluções inovadoras (Assopramento e Perfuração). Ambas técnicas reduziram efetivamente o ruído tonal mas apresentaram efeitos indesejados como a excitação de tons em alta frequência Abstract: Aeroacoustic noise reduction is one of the growing concerns in the automotive industry. With the advention of Electric Vehicles and Autonomous Driving, vehicle occupants will become more sensitive to aerodynamic noise. The most severe aeroacoustic phenomena in ground vehicles are the ones with a tonal nature. Roof carrier systems have a leading crossbar directly exposed to the airflow, generating broadband noise and a discrete aeolian tone. Nowadays, most of the applied solutions to aeolian tone are empirical, sustained by the fact that commercial crossbar profiles are not as blunt as a circular cylinder, neither as thin as a wing section. The objective of this project is to investigate the noise mechanisms involved in elliptical crossbars through actual acoustic measurements taken on track. The first part of the project correlated sound pressure and intensity measurements taken on track and in an aeroacoustic wind tunnel, with the objective of assessing track data accuracy and repeatability. Acoustic pressure taken outside the vehicle with a single microphone has demonstrated good accuracy in capturing both narrow and broadband noise effects, despite of the uncontrolled background noise. The crossbar wake interaction with the roof plane was also assessed through reference measurements and local flow visualization. The second part of the project compared the noise generated by an elliptical cylinder with that generated by a circular cylinder and a NACA 0012 airfoil with the same thicknesses and at the same operational conditions. Results have shown that the elliptical crossbar noise characteristics have similarities when compared to those of blunt bodies at low Reynolds numbers and wing sections at higher speeds. The following step investigated the effects of the ellipse geometry and angle of attack on the generated sound. Different leading and trailing edge combinations were tested and demonstrated that the trailing edge is the key contributor to the aeolian tone characteristics, while the leading edge affects primarily the broadband noise. Thin trailing edges were capable to completely eliminate the aeolian tone. Positive and negative incidence angles presented opposite trends towards noise reduction and have proven to be ineffective in higher speeds. Finally, industry-known solutions such as Boundary Layer Tripping (BLT) were assessed and compared to innovative solutions (Trailing Edge Blowing (TEB) and Perforation). Both TEB and Perforation were effective on reducing the aeolian tone but presented counter effects such as high frequency whistling Mestrado Térmica e Fluídos Mestre em Engenharia Mecânica