A benchmark of Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS)-informed analytical methods, which are attractive for predicting fan broadband noise, was conducted within the framework of the European project TurboNoiseBB. This paper discusses the first part of the benchmark, which investigates the influence of the RANS inputs. Its companion paper focuses on the influence of the applied acoustic models on predicted fan broadband noise levels. While similar benchmarking activities were conducted in the past, this benchmark is unique due to its large and diverse data set involving members from more than ten institutions. In this work, the authors analyze RANS solutions performed at approach conditions for the ACAT1 fan. The RANS solutions were obtained using different CFD codes, mesh resolutions, and computational settings. The flow, turbulence, and resulting fan broadband noise predictions are analyzed to pinpoint critical influencing parameters related to the RANS inputs. Experimental data are used for comparison. It is shown that when turbomachinery experts perform RANS simulations using the same geometry and the same operating conditions, the most crucial choices in terms of predicted fan broadband noise are the type of turbulence model and applied turbulence model extensions. Chosen mesh resolutions, CFD solvers, and other computational settings are less critical.

A benchmark dedicated to RANS-informed analytical methods for the prediction of turbofan rotor–stator interaction broadband noise was organised within the framework of the European project TurboNoiseBB. The second part of this benchmark focuses on the impact of the acoustic models. Twelve different approaches implemented in seven different acoustic solvers are compared. Some of the methods resort to the acoustic analogy, while some use a direct approach bypassing the calculation of a source term. Due to differing application objectives, the studied methods vary in terms of complexity to represent the turbulence, to calculate the acoustic response of the stator and to model the boundary and flow conditions for the generation and propagation of the acoustic waves. This diversity of approaches constitutes the unique quality of this work. The overall agreement of the predicted sound power spectra is satisfactory. While the comparison between the models show significant deviations at low frequency, the power levels vary within an interval of ±3 dB at mid and high frequencies. The trends predicted by increasing the rotor speed are similar for almost all models. However, most predicted levels are some decibels lower than the experimental results. This comparison is not completely fair—particularly at low frequency—because of the presence of noise sources in the experimental results, which were not considered in the simulations.

Prédictions analytiques et numériques du bruit à large bande rayonné par un étage de soufflante: L’étage de soufflante des turboréacteurs est actuellement considéré comme l’une des principales sources de bruit d’un avion, en particulier en phase d’approche et de décollage. Face à une règlementation de plus en plus contraignante vis à vis de la pollution sonore, et par anticipation de l’intensification du bruit de soufflante induite par les futures configurations à très fort taux de dilution, un certain nombre d’initiatives ont été prises dans le but de limiter l’émission de bruit par les moteurs. Elles portent cependant majoritairement sur la composante tonale du bruit, tandis que le bruit à large bande n’a été réduit que de manière marginale. Ce dernier provient de l’interaction de structures turbulentes avec les surfaces solides du moteur telles que son carénage, les pales du rotor ou les aubes du stator. Cette composante du bruit est majoritairement produite par le mécanisme d’interaction rotor-stator, également responsable d’une partie du bruit tonal, notamment en phase d’approche et de décollage. Ce dernier résulte de l’impact des sillages turbulents du rotor sur le stator de l’étage de soufflante (OGV), générant ainsi des fluctuations de charge sur les aubes du stator. Le présente thèse propose une étude de ce mécanisme et plus particulièrement de sa composante à large bande. Elle a notamment pour but d’évaluer la capacité de deux méthodes à fournir des prédictions de bruit à large bande fiables. Ces deux méthodes définissent l’état de l’art actuel et proposent deux niveaux différents de coût et de précision. La première couple une simulation d’écoulement par la méthode des équations de Navier-Stokes moyennées (RANS) avec des modèles analytiques de prédiction de bruit. Cette méthode permet d’estimer le bruit à large bande d’interaction rotor-stator et est particulièrement adaptée aux étapes de pré-conception dans le contexte industriel grâce à son faible coût. La seconde est une méthode numérique hybride couplant une simulation aux grandes échelles (LES), permettant de calculer les sources acoustiques au sein de l’étage de soufflante, avec une analogie acoustique, en charge de la propagation en champ lointain du bruit émis par ces dernières. Cette méthode, qui est l’une des plus avancées pour ce type de problématique, fournit des prédictions de bruit à large bande plus précises mais requiert l’utilisation d’importantes ressources de calcul. Les deux approches sont appliquées à une géométrie représentative d’un étage de soufflante en phase d’approche, et directement confrontées à travers une étude aérodynamique et acoustique complète. La capacité des deux approches à fournir des prédictions de bruit fiables est démontrée, en particulier pour la seconde méthode un gain substantiel de précision est observé, mais requiert un coût de calcul supplémentaire important. L’impact des hypothèses de modélisation de chaque méthode sur la fiabilité de leurs prédictions acoustiques respectives est évalué, et les particularités de l’écoulement caractérisant la phase d’approche sont mises en évidence. Par ailleurs, des sources de bruit à large bande supplémentaires sont identifiées sur le rotor et le stator, et leurs contributions respectives au bruit à large bande total sont estimées et comparées à celle du mécanisme d’interaction rotor-stator, révélant que ce dernier n’est pas nécessairement l’unique source de bruit prépondérante en phase d’approche.