Por que o escape da nacele do motor Boeing 787 tem uma forma tão incomum?

Bem, parece bonito, não parece?

A Boeing queria reduzir o ruído gerado por causa do jato dos motores. Muitos aeroportos ao redor do mundo estão implementando novas regulamentações de ruído.

Como mencionado pela Boeing :

To combat the sound of jet-blast from the rear of the engine, Boeing, General Electric, and NASA developed serrated edges called chevrons for the back of the nacelle and the engine exhaust nozzle. The chevrons reduce jet blast noise by controlling the way the air mixes after passing through and around the engine.

The acoustic liners and chevrons are such effective noise suppressors that several hundred pounds of sound insulation may be eliminated from the fuselage.

Como a NASA estava envolvida, eles afirmam (minha paráfrase) :

Chevrons are the sawtooth pattern seen on the trailing edges of some jet engine nozzles. As hot air from the engine core mixes with cooler air blowing through the engine fan, the shaped edges serve to smooth the mixing, which reduces turbulence that creates noise.

... The new Boeing 787 is among the most modern jets relying on chevrons to reduce engine noise levels. It sports chevrons on the nacelles, or fan housings.

Acho que as duas respostas estão corretas, mas gostaria de passar algum tempo descrevendo os fenômenos que as divisas tentam reduzir para que eu possa complementar as respostas já fornecidas.

Então, o que está acontecendo em um mecanismo? Temos um gás quente em alta velocidade deixando o núcleo do motor e outro gás a uma velocidade maior que o ar externo, mas muito mais lento que o núcleo, em cima, e temos o fluxo de ar externo. Na verdade, estou perdendo uma que explicarei mais adiante.

OK, então entre fluxos de ar com propriedades diferentes (especialmente velocidade diferente) existe uma camada onde ambos os ares se misturam para criar um diferente com propriedades médias (a média é simplificada), a mistura em uma região chamada "camada de mistura" . Não oficialmente, em motores típicos, a maneira como as duas camadas se misturam é turbulenta. Aqui está uma imagem típica de uma simulação de uma camada de mistura.

Esta mistura turbulenta cria som. De fato é fácil ver fenômenos semelhantes em uma flauta. Se você abri-lo, você pode ver que quando você sopra você está introduzindo ar que atinge uma cavidade onde o som é produzido (na verdade, há outro fenômeno, ressonância, mas eu gostaria de ilustrar que a turbulência cria som). Outro exemplo é quando você acena um objeto pontudo no ar (como uma lâmina); se você fizer isso com rapidez suficiente, você ouvirá um som.

Esse fenômeno exato acontece em torno dos motores, mas o som é mais alto. Por quê? Porque a diferença entre as velocidades é muito alta. Um planador parece silencioso, embora as asas atuem como lâminas ... mas a diferença de velocidade não é tão alta.

Então, o que sabemos agora é que quanto menor a diferença, menor a turbulência, mais silencioso o som. Aquelas vírgulas que você vê no Boeing 787 realmente têm esse objetivo. Eles estão realmente criando outra camada de fluido a uma velocidade intermediária entre o ar que passa pela parte externa do motor (fluxo secundário do ventilador) e o fluxo externo, de modo que o salto de propriedades é menor, a turbulência é reduzida e o som é mais silencioso. / p>

Então, para mostrar os fluxos em um mecanismo, tirei sua foto e introduzi algumas setas:

Basicamente, o ar azul vindo para a parte externa da nacela se mistura com o ar vindo do ventilador (seta vermelha). Ter as divisas significa que algumas partes são misturadas antes de outras, criando uma distorção positiva na camada de mistura, como "criar um terceiro fluxo". A seta verde mostra o ar do núcleo do motor, mas há outro fluxo de ar entre o núcleo do motor e o ventilador, a flecha violeta.

O que é mostrado nas respostas anteriores para os motores Conway e JTD-8 são dispositivos que usam o mesmo princípio, mas na verdade não são os mesmos. Em motores a jato anteriores não havia um grande fluxo secundário do ventilador como hoje em dia e a mistura estava diretamente entre o núcleo do motor e o fluxo externo, então é o mesmo princípio, mas a enorme diferença entre as velocidades criou a necessidade de uma mistura mais agressiva. Este dispositivo é chamado de kit de hush .

Finalmente, para responder à sua pergunta, não há benefício aerodinâmico; há uma penalidade. O benefício é aeroacústico.

Entretanto, há um benefício indireto: a quantidade de material de amortecimento acústico necessária para manter a cabine silenciosa é reduzida. Isso economiza peso e, portanto, combustível.

Na verdade, houve truques semelhantes usados nos aviões da Boeing antes para reduzir o ruído do jato.

O Rolls-Royce Conway (usado no Boeing 707) tinha um escapamento recortado que melhorava a mistura do jato e ruído de escape reduzido. Como o Conway também foi o primeiro motor de bypass operacional, a menor velocidade de escape deste projeto ajudou a reduzir o ruído já. Na época do desenvolvimento, os engenheiros esperavam que o motor fosse instalado nas raízes das asas, e a relação de desvio era de apenas 0,25, no entanto.

Além disso, o JTD-8 do Boeing 737-100 usou um design de silenciador similar:

Em todos os casos, a ideia é aumentar a superfície entre o gás de escape quente e rápido e o ar ambiente e esticar a processo de mixagem intuitivo .

Veja também esta pergunta para mais informações.

O objetivo principal das divisas nos motores é reduzir o ruído do motor.

A maioria dos aviões civis usa motores turbofan de alto desvio, que produzem uma quantidade significativa de ruído, especialmente em condições de alto empuxo. O ruído da aeronave (motor) é especialmente crítico durante as fases de decolagem e aproximação, pois afeta as pessoas na área ao redor do aeroporto e também a equipe de terra. A redução do ruído do jato tem sido uma das áreas de foco dos fabricantes de aeronaves civis desde o programa SST (com falha).

Fonte: adg.stanford.edu

Como pode ser visto, o ruído do motor talvez seja o contribuinte mais importante para o ruído total da aeronave. Assim, a redução do ruído do motor torna-se primordial. A maioria dos motores turbofan de bypass alto tem duas regiões de fluxo - o núcleo central e a ventoinha circundante. Essas regiões normalmente não se misturam no bico curto.

" Airbus Lagardère - GP7200 engine MSN108 (1) " por Dr Brains - Trabalho próprio. Licenciado sob CC0 através de Commons .

O esquema abaixo mostra a operação de motores turbofan de bypass alto típicos usados em aviões civis.

Normalmente, altas taxas de bypass reduzem o ruído. A principal fonte do ruído do jato é a mistura turbulenta das camadas de cisalhamento no escapamento do motor. Essas camadas de cisalhamento contêm instabilidades que levam a vórtices altamente turbulentos que geram as flutuações de pressão responsáveis pelo som.

[2012, V. Parezanovic] Fonte: link

Um dos foi reduzir o ruído é misturar o núcleo e contornar os gases de forma eficaz. A NASA realizou pesquisas nessa área e avaliou várias configurações diferentes.

Fonte: NASA - Inovações em Aeronáutica

Esses estudos revelaram que, embora os misturadores lobulados reduzissem melhor o ruído, a perda de empuxo associada era maior e as divisas ofereciam a solução ideal. Duas soluções, com abas e divisas, foram então (voo simulado) testadas em várias configurações.

Esses testes mostraram que a configuração com as divisas nos bicos dos ventiladores apenas causou a menor redução no coeficiente de empuxo. Esta provavelmente foi a razão pela qual isso foi selecionado.

Além disso, a pesquisa foi realizada em sistemas de desenvolvimento que otimizariam a "imersão" da chevron no fluxo de jato com base na condição de vôo. Ligas com memória de forma ativadas pelo calor foram desenvolvidas, o que permitiria a imersão chevron completa no fluxo do jato durante altas exigências de empuxo (por exemplo, durante a decolagem) e não imersão durante o cruzeiro, onde a eficiência do empuxo é de maior importância.

Varetas de geometria variável para controle de imersão (AIAA 2006-2546) (imagem da Boeing)