Novel dispersion error and grey area mitigation approaches for subsonic jet noise spectra

Abstract

(English) In Computational AeroAcoustics, scientists deal with a numerical error not always considered in other disciplines: the dispersion error. This error generates that waves with different frequencies travel at different speeds, distorting the acoustic spectrum. Additionally, new issues appear when turbulence modelling is added to the problem. Within the family of Detached Eddy Simulations (DES), the Gray Area Problem delays the transition from the RANS mode into the LES mode, generating non-physical oscillations that contaminate the full noise spectra. Here, we present a new methodology to numerically analyse and evaluate this error, without the primary constraint of being limited to structured uniform meshes, but also applicable to stretched ones. When applied to stretched grids, the extracted conclusions with this new method do not show a clear difference between high and low-order numerical schemes, as the former quickly degrades its order of accuracy. As an application case, we simulate a subsonic round jet using two different numerical codes: NOISEtte, which uses high-accuracy schemes, and OpenFOAM, an open-source code that uses low-order schemes. This case allows us to compare the effect that the order of the scheme has on the acoustic spectra of the subsonic round jet. Additionally, this case allows us to analyse how the selection of the filtering length scale and the turbulence model within a DES approach can act as a Gray Area Mitigation technique, conditioning the validity of the results.

(Català) Dins l'AeroAcústica Computacional, els investigadors han de tenir present un error numèric habitualment no considerat per altres disciplines dins CFD: l'error de dispersió. Aquest error fa que ones amb diferents freqüències tinguin diferents velocitats de propagació, distorsionant completament l'espectre acústic. Addicionalment, quan s'introdueix el modelatge de turbulència dins el problema a considerar, apareixen noves problemàtiques. Dins la família de models Detached Eddy Simulations (DES), l'àrea grisa retarda la transició entre els modes RANS i LES, ocasionant oscil·lacions purament numèriques i no físiques que contaminen tot l'espectre acústic. En aquest treball presentem una nova metodologia per avaluar numèricament l'error de dispersió, sense estar limitada a utilitzar malles estructurades uniformes, sent capaç d'estudiar dit error en malles estructurades no uniformes també. Aplicant aquesta metodologia en aquest últim tipus de malles, les conclusions extretes no mostren diferències tan significatives entre mètodes d'alt i baix ordre, ja que els primers degraden ràpidament l'ordre de convergència. Com a cas d'aplicació, mostrem un jet subsònic utilitzant dos codis numèrics diferents: OpenFOAM, un codi obert que utilitza esquemes de baix ordre, i NOISEtte, un codi in-house que utilitza esquemes d'alt ordre. Addicionalment, en tractar-se d'un cas en què modelitzem la turbulència, analitzem com la selecció del model de turbulència com la de la longitud de subgrid poden actuar com tècniques d'atenuació de l'àrea grisa, condicionant la validesa dels resultats.

(Español) Dentro de la AeroAcústica Computacional, los profesionales deben tener presente un error numérico que habitualmente no se considera en otras subdisciplinas de CFD: el error de dispersión. Este error genera que ondas con distintas frecuencias se propaguen a distinta velocidad, distorsionando completamente el espectro acústico. Adicionalmente, cuando se introduce el modelado de la turbulencia, aparecen nuevas problemáticas. Dentro de la familia de modelos Detached Eddy Simulation, el área gris retrasa la transición entre los modos RANS y LES, generando oscilaciones de carácter numérico y no físico que contaminan completamente el espectro acústico obtenido. En este trabajo presentamos una nueva metodología para evaluar numéricamente el error de dispersión, no está limitada exclusivamente a mallas estructuradas uniformes, siendo capaz de analizar dicho error en mallas no uniformes. Aplicando el método en este último tipo de mallas, las conclusiones extraídas no muestran diferencias tan significativas entre métodos de alto y bajo orden, ya que los primeros degradan muy rápidamente su orden de convergencia. Como caso de aplicación, analizamos un jet subsónico usando dos códigos numéricos: OpenFOAM, un código abierto de bajo orden, y NOISEtte, un código propio con métodos de alto orden. Adicionalmente, al tratarse de un caso donde modelizamos la turbulencia, analizamos como la selección del modelo de turbulencia como la de la longitud de subgrid pueden actuar como técnicas de atenuación del área gris, condicionando la validez de los resultados.