Low-order methodology for the design of propellers with serrated trailing edges

Santamaria Osorio, Jorge Hernan (2025). Low-order methodology for the design of propellers with serrated trailing edges. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

The exponential increase in applications where UAVs or drones are used raises concerns about potential noise pollution in large cities. Trailing edge noise is a significant broadband noise source of hovering UAV propellers, which can be reduced by employing bio-inspired trailing edge serrations. The high computational cost of high-fidelity CFD simulations put them at the end of the design cycle rather than at the beginning. Therefore, propeller designers need a fast method for predicting noise reductions. Analytical models for straight and serrated edges need as essential input the single-point wall-pressure fluctuations spectrum. This can be modeled using low-cost Reynolds-Averaged Navier-Stokes simulations. A low-order methodology is proposed to estimate the potential noise reductions resulting from trailing edge serrations using RANS simulations for a representative drone propeller based on a NACA0012 airfoil with constant pitch and constant chord.

Ayton’s theoretical model provides predictions for serrated trailing edge noise generated by a fully turbulent flow over an infinitesimally thin plane. The extension of Ayton’s model, proposed by Li and Lee, provides a heuristic three-dimensional model for a finite span applicable to rotor blades. This model reveals the potential benefits of using a square wave serration compared to the traditional sawtooth serration. This thesis addresses the limitations of Li and Lee’s model by deriving a new model for the square wave using Ayton’s model and Curle’s analogy. Measurements of a NACA0012 airfoil at low-Reynolds numbers, typical of small drones, were performed in an anechoic chamber at the Université de Sherbrooke, for straight, sawtooth, and square wave edges. Noise reductions of up to 5 dB are measured, with the square wave outperforming the sawtooth serration. Theoretical predictions are in reasonable agreement with the experimental results.

Li and Lee’s model is then extended to rotating blades using Schlinker and Amiet’s model. The model is verified in the limit of zero serration amplitude finding good agreement at high frequencies and high observer angles. Single-blade passage RANS simulations of the NACA0012 propeller are performed, and aerodynamic validation is made with experimental data. The results highlight the importance of adequately refining the mesh around the propeller tip vortices and using transitional turbulence modeling. The wall-pressure fluctuations spectrum was modeled based on the RANS results, and the propeller far-field acoustics were calculated using the in-house code PyFanNoise.

The acoustic predictions agree fairly well with experimental measurements, especially at high rotational speeds, where secondary flows are weaker and the onset of turbulence matches more favorably with the fully turbulent k- SST model used in the RANS. Li and Lee’s model is then used to study the sensitivity of noise reductions to different shapes. The square wave serration is shown to outperform the sawtooth and sinusoidal shapes for all frequencies and observer angles, particularly for small propeller blades typically used in drones. However, for larger chord blades typically used for ducted fans, combinations of sawtooth and sinusoidal serrations provide better noise reductions.

The methodology is validated by considering the effects of serration installation and manufac turing. Several propellers were 3D printed and tested in an anechoic chamber, where far-field noise and aerodynamic performance were measured. The baseline configuration exhibits clear evidence of laminar boundary-layer instability noise. Cut-in and add-on serrations alleviate this noise mechanism. Similarly, to overcome the influence of the laminar-to-turbulent transition over the blade surface, some propellers also include additional surface roughness to trigger turbulence. Cut-in serrations experience additional vortex-shedding noise characterized by a Strouhal number based on the serration root thickness. The results show that serrations are a viable method for controlling trailing edge noise at low RPM, where broadband noise dominates over tonal noise, and that add-on serrations with a trip are in better agreement with the theoretical results, thus highlighting the importance of the manufacturing method during the design phase.

Titre traduit

Méthodologie d’ordre réduit pour la conception d’hélices à bords de fuite dentelés

Résumé traduit

L’essor rapide de la mobilité aérienne avancée, et en particulier des véhicules sans pilote ou drones, soulève des enjeux d’acceptation sociale du fait de la pollution sonore engendrée par ces engins lors du survol de zones urbaines. Parmi les différentes sources de bruit de ces véhicules, le bruit de bord de fuite constitue une composante majeure du bruit à large bande émis par leurs hélices en vol stationnaire. Ce bruit peut être atténué grâce à l’utilisation de dentelures de bord de fuite. Toutefois, les méthodes numériques aéroacoustiques pour le calcul de bruit des hélices nécessitent des ressources de calcul trop élevées. En phase de conception, il est donc nécessaire de recourir à une approche rapide permettant d’estimer les gains acoustiques potentiels des dentelures. Certaines approches analytiques destinées aux bords droits ou dentelés requièrent comme donnée essentielle la densité spectrale des fluctuations de pression pariétale, qui peut être reconstruite à partir de données issues de simulations peu coûteuses de type Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS). Dans le cadre de ces travaux, une méthodologie s’appuyant sur de tels modèles est proposée pour prévoir la réduction de bruit associée à l’emploi de dentelures de bord de fuite sur des hélices.

Le modèle théorique d’Ayton permet d’estimer le bruit généré par un écoulement turbulent sur le bord de fuite dentelé d’une plaque infiniment mince. Li et Lee en ont proposé une extension. Ils ont introduit un modèle heuristique tridimensionnel applicable à des pales de rotor d’envergure finie. Cette extension permet de mettre en évidence les avantages de la dentelure en créneau par rapport à la forme en dents de scie. Cette thèse propose une nouvelle approche s’appuyant sur l’analogie de Curle pour étendre le modèle d’Ayton et de pallier certaines limites du modèle de Li et Lee. Des considérations mathématiques limitent pour le moment cette approche aux bords de fuite en créneau. Une campagne expérimentale a été réalisée dans la soufflerie anéchoïque de l’Université de Sherbrooke afin de mesurer le bruit émis par un profilé NACA0012 soumis à des flux d’air dont les nombres de Reynolds sont représentatifs des conditions de fonctionnement typiques des hélices de drone. Trois géométries ont été testées : bord droit, bord en dents de scie et bord en créneau. Jusqu’à 5 dB de réduction ont pu être observés, et les dentelures en créneau se sont révélées plus efficaces que les dents de scie. Les estimations théoriques sont raisonnablement en accord avec les résultats expérimentaux. En particulier, le modèle proposé est plus précis et prévoit une meilleure directivité que le modèle de Li et Lee.

Le modèle de Li et Lee a été étendu aux pales en rotation, selon l’approche de Schlinker et Amiet. En faisant tendre l’amplitude des dentelures vers 0, son évaluation est en accord avec les prévisions du modèle d’Amiet, en particulier aux hautes fréquences, tant pour les profils fixes que pour les éléments de pale en rotation. La méthodologie couplée (RANS + modèle) a ensuite été confrontée, en termes d’aérodynamique et d’acoustique, à des mesures réalisées à l’ISAE sur une hélice de drone basée sur le profil NACA0012, pour différentes vitesses de rotation. L’analyse comparative des performances de l’hélice entre les calculs et les données expérimentales a permis de démontrer l’importance de raffiner de manière adéquate le maillage autour des tourbillons d’extrémité de l’hélice et d’utiliser une modélisation de la turbulence avancée prenant en compte la transition. La densité spectrale des fluctuations de pression pariétale a été modélisée à l’aide d’informations issues des simulations RANS, et l’acoustique en champ lointain de l’hélice a été calculée à l’aide du code interne PyFanNoise dans lequel le modèle de Li et Lee a été implémenté.

Les prévisions acoustiques concordent assez bien avec les mesures expérimentales, en particulier à des vitesses de rotation élevées, lorsque les écoulements secondaires sont plus faibles que la couche limite au bord de fuite est pleinement turbulente. Le modèle de Li et Lee est ensuite utilisé pour comparer les réductions de bruit de différentes formes de dentelures. L’approche analytique prévoit que les bords de fuite en créneau permettent une réduction de bruit plus importante que les formes en dents de scie ou sinusoïdales, et ce, pour toutes les fréquences et tous les angles d’observation. Ce phénomène est particulier aux petites pales d’hélice, généralement utilisées dans les drones. Cependant, pour les pales à corde plus grande habituellement utilisées pour les ventilateurs carénés, les combinaisons de dentelures en dents de scie et sinusoïdales offrent de meilleures réductions de bruit.

Une dernière étape de ces travaux a consisté à valider la méthodologie couplée par une approche expérimentale. Il a toutefois fallu tenir compte des effets de l’installation et de la fabrication des dentelures, qui sont ignorés dans l’approche analytique. Plusieurs hélices ont été imprimées en 3D par fabrication additive, puis testées en chambre anéchoïque dans les installations de l’ISAE afin de mesurer le bruit en champ lointain et les performances aérodynamiques. La signature acoustique de la configuration de référence (à bord de fuite droit) démontre l’existence d’une instabilité de la couche limite laminaire. Les dentelures intégrées ou en appendices atténuent ce mécanisme de bruit. Pour éviter ce mécanisme de transition laminaire-turbulente à la surface des pales, une rugosité de surface a été ajoutée afin de déclencher la turbulence. Les dentelures intégrées génèrent un bruit supplémentaire d’échappement tourbillonnaire caractérisé par un nombre de Strouhal basé sur l’épaisseur à la racine de la dentelure. Les dentelures en appendice, plus minces, évitent cette source additionnelle et permettent d’atteindre une réduction de bruit. Les dentelures en créneau n’ont pas permis d’obtenir la réduction de bruit anticipée par le modèle. La réduction de bruit prévue par le modèle pour les dents de scie suit globalement la tendance des mesures, même si elle la surestime. De plus, les résultats expérimentaux démontrent que les dentelures constituent une méthode efficace pour contrôler le bruit de bord de fuite à basse vitesse de rotation, lorsque le bruit à large bande prédomine sur le bruit tonal. D’autre part, les dents de scie installées en appendice, combinées à un dispositif de transition, présentent la meilleure concordance avec les prédictions théoriques, soulignant ainsi l’importance des choix de fabrication dès la phase de conception.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of Doctor of Philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 217-231).
Mots-clés libres:	drone, hélice, aéroacoustique, dentelures de bord de fuite, modélisation
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Sanjosé, Marlène
Codirecteur:	Codirecteur Moreau, Stéphane
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	04 mars 2026 15:31
Dernière modification:	04 mars 2026 15:31
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3804

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