Aeroacustica delle turbomacchine

Il laboratorio DIME di Aeroacustica sperimentale (DIME-LAA)

L’attività dell’LAA è orientata principalmente verso lo studio dei ventilatori a bassa velocità. Queste macchine sono largamente impiegate nei sistemi di raffreddamento, riscaldamento, ventilazione e condizionamento ambientale con applicazioni in numerosi ambiti, per esempio quelli automobilistico, elettronico, civile, industriale e navale. Le attuali tendenze di mercato verso macchine più veloci e compatte contrastano con la richiesta opposta di ventilatori più silenziosi, con il risultato di rendere la riduzione delle emissioni acustiche probabilmente altrettanto importante che l’aumento delle prestazioni aerodinamiche.

Generalmente, il rumore di origine aerodinamica è la principale causa di inquinamento acustico e la sua riduzione è l’obiettivo degli studi aeroacustici; la teoria di base del rumore generato aerodinamicamente è ben consolidata e le sue cause sono le fluttuazioni di pressione e di velocità presenti nel flusso, anche in assenza di vibrazioni di pareti solide. Come in molti problemi di acustica, il rumore dipende dai dettagli della sorgente, nel presente caso il flusso, che, a sua volta, dipende dalla geometria dell’insieme. Quindi, la principale difficoltà nell’analisi e nella previsione del rumore aerodinamico è costituita dalla limitata conoscenza delle caratteristiche istantanee del flusso. Infatti, le geometrie delle unità reali e le condizioni operative sono molto complicate e, sebbene negli ultimi anni i metodi di previsione aerodinamici si siano fortemente evoluti, gli studi sperimentali sono attualmente insostituibili.

Dal punto di vista pratico, lo scopo degli studi aeroacustici è duplice:

  • identificare i meccanismi di generazione attivi, e
  • identificare le modifiche geometriche che possono portare ad una riduzione del rumore generato.

Il rumore ricevuto dipende dalla combinazione di due effetti:

  • i meccanismi di generazione attivi (per esempio, turbolenza o distorsioni del flusso all’ingresso, interazione rotore-statore, flusso di ricircolo all’apice delle pale), e
  • l’interazione delle onde irradiate con l’ambiente di propagazione (per esempio effetti di riflessione o diffrazione dovuti a pale e ad altre parti solide, trattamenti acustici, etc.).

Quindi, entrambi gli aspetti devono essere adeguatamente considerati. Inoltre, dato che I meccanismi di generazione considerati sono di natura essenzialmente aerodinamica, per una migliore comprensione del fenomeno, si rendono necessarie anche misure anemometriche. Infine, va considerato che lo scopo finale degli interventi dovrebbe essere la riduzione del fastidio percepito, piuttosto che quella della potenza acustica irradiata; di conseguenza, il comportamento dell’appartato uditivo umano deve essere considerato, il che significa che bisogna tenere in debito conto anche gli aspetti di natura psicoacustica. Al laboratorio DIME-LAA, le principali attrezzature, strumentazione e software per studi di questo genere sono disponibili:

 

  • camera semianecoica,
  • arrays di microfoni e accelerometri
  • analizzatori di spettro Bruel&Kjaer
  • software Sound Quality Bruel&Kjaer
  • Sistemi anemometrici a filo caldo, LDV e PIV Dantec
  • Test plenum ISO 10302 per misure a carico, servomotori a velocità variabile

 

Pubblicazioni

ALCUNE PUBBLICAZIONI RECENTI

A. Cattanei, R. Ghio, A. Bongiovì, Reduction of the tonal noise annoyance of axial flow fans by means of optimal blade spacing. Applied Acoustics, 2007, vol. 68, 11-12, pp. 1323-1345.

A. Bongiovì, A. Cattanei, Spectral decomposition of the aerodynamic noise generated by rotating sources, Journal of Sound and Vibration, 2011, vol. 330, pp. 136-152.

A. Lazari, A. Cattanei, Design of off-statistics axial-flow fans by means of vortex law optimization, 2014, Journal of Thermal Science, 23 (6), pp. 505-515.

E. Canepa, A. Cattanei, F. Mazzocut Zecchin, Installation effects on the tonal noise generated by axial flow fans, Journal of Sound and Vibration, 2015, vol. 340, pp. 167–189.

E. Canepa, A. Cattanei, F. Mazzocut Zecchin, Effect of the rotor-stator gap variation on the tonal noise generated by axial-flow fans, Applied Acoustics, 2015, vol. 94, pp. 29–38.

E. Canepa, A. Cattanei, D. Lengani, M. Ubaldi, P. Zunino, Experimental investigation of the vortex breakdown in a lean premixing prevaporizing burner, 2015, Journal of Fluid Mechanics 768, R4.

E. Canepa, A. Cattanei, F. Mazzocut Zecchin, G. Milanese, D. Parodi, An experimental investigation on the tip leakage noise in axial-flow fans with rotating shroud, 2016, Journal of Sound and Vibration, vol. 375, pp. 115-131.

E. Canepa, A. Cattanei, F. Mazzocut Zecchin, Analysis of tonal noise generating mechanisms in low-speed axial-flow fans, Journal of Thermal Science, 2016, 25 (4), pp. 302-311.

D. Anghinolfi, E. Canepa, A. Cattanei, M. Paolucci, Psychoacoustic optimization of the spacing of propellers, helicopter rotors, and axial fans, Journal of Propulsion and Power, 2016, 32 (6), pp. 1422-1432.

E. Canepa, A. Cattanei, F. Mazzocut Zecchin, Scaling properties of the aerodynamic noise generated by low-speed fans, Journal of Sound and Vibration, 2017, 408, pp. 291-313.

E. Canepa, A. Cattanei, F. Jafelice, F. Mazzocut Zecchin, D. Parodi, Effect of rotor deformation and blade loading on the leakage noise in low-speed axial fans, Journal of Sound and Vibration, 2018, 433, pp. 99-123.