Анализ аэроакустических характеристик расчетной сверхзвуковой струи на основе данных численного моделирования

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Проведено численное моделирование аэроакустических характеристик сверхзвуковой струи, истекающей из сопла Лаваля в покоящееся пространство на расчетном режиме (число Маха М = 2). Представлены результаты расчетов методом моделирования крупных вихрей (LES). Получены средние и пульсационные характеристики течения в струе, а также характеристики шума струи в дальнем поле, включая его азимутальный состав. Проведено сопоставление результатов расчета с экспериментальными данными и показано их удовлетворительное соответствие. Сделан вывод о наличии различных механизмов генерации шума в рассматриваемой струе.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

О. П. Бычков

ФАУ ЦАГИ, Научно-исследовательский Московский комплекс ЦАГИ

Email: georgefalt@rambler.ru
Россия, Москва

И. Ю. Миронюк

ФАУ ЦАГИ, Научно-исследовательский Московский комплекс ЦАГИ

Email: georgefalt@rambler.ru
Россия, Москва

И. А. Солнцев

ФАУ ЦАГИ, Научно-исследовательский Московский комплекс ЦАГИ

Email: georgefalt@rambler.ru
Россия, Москва

Г. А. Фараносов

ФАУ ЦАГИ, Научно-исследовательский Московский комплекс ЦАГИ

Автор, ответственный за переписку.
Email: georgefalt@rambler.ru
Россия, Москва

М. А. Юдин

ФАУ ЦАГИ, Научно-исследовательский Московский комплекс ЦАГИ

Email: georgefalt@rambler.ru
Россия, Москва

Список литературы

  1. Lighthill M.J. On sound generated aerodynamically: I. General theory // Proc. Royal Soc. Series A. 1952. V. 211. P. 564−581.
  2. Седельников Т.Х. О частотном спектре шума сверхзвуковой струи. Физика аэродинамических шумов. М.: Наука, 1967. 83.
  3. Tam C.K.W., Burton D.E. Sound generated by instability waves of supersonic flows: Part 2. Axisymmetric jets // J. Fluid Mech. 1984. V. 138. P. 273−295.
  4. Kopiev V., Chernyshev S., Zaitsev M., Kuznetsov V. Experimental validation of instability wave theory for round supersonic jet // AIAA Paper. 2006. AIAA-2006–2595.
  5. Зайцев М.Ю., Копьев В.Ф., Чернышев С.А. Экспериментальное исследование роли волн неустойчивости в механизме излучения шума сверхзвуковой струей // Изв. РАН. МЖГ. 2009. № 4. С. 124−133.
  6. Kopiev V., Zaitsev M., Chernyshev S., Ostrikov N. Vortex ring input in subsonic jet noise // Int. J. Aeroacoustics. 2007. V. 6. № 4. P. 375−405.
  7. Tam C., Aurialt L. Jet mixing noise from fine-scale turbulence // AIAA Journal. 1999. V. 37. № 2. P. 145–153.
  8. Goldstein M.E. A generalized acoustic analogy // J. Fluid Mech. 2003. V. 488. P. 315−333.
  9. Копьев В.Ф., Чернышев С.А. Новая корреляционная модель каскада турбулентных пульсаций как источника шума в струях // Акуст. журн. 2012. Т. 58. № 4. С. 482−497.
  10. Tam C.K., Viswanathan K., Ahuja K.K., Panda J. The sources of jet noise: experimental evidence // J. Fluid Mech. 2008. V. 615. P. 253−292.
  11. Крашенинников С.Ю., Миронов А.К., Бендерский Л.А. Анализ шумообразования турбулентных струй на основании исследования их ближнего акустического поля // Акуст. журн. 2018. Т. 64. С. 704−717.
  12. Бычков О.П., Зайцев М.Ю., Копьев В.Ф., Фараносов Г.А., Чернышев С.А. О двух подходах к моделированию шума низкоскоростных дозвуковых струй // Докл. Росс. Акад. Наук. Физика, Технические Науки. 2022. Т. 506. № 1. С. 16−25.
  13. Копьев В.Ф., Чернышев С.А. Анализ вторичного звукового излучения в акустической аналогии с оператором распространения, содержащим вихревые моды // Акуст. журн. 2022. Т. 68. С. 647−669.
  14. Kopiev V.F. On the possibility and prospects of turbulent flow noise control // CD-ROM Proceedings. FM11-12156. XXI ICTAM. 15-21 August 2004. Warsaw. Poland.
  15. Копьев В.А., Панкратов И.В., Копьев В.Ф., Ульяницкий В.Ю. Разработка плазменного актуатора на основе барьерного разряда для управления шумом турбулентной струи, истекающей из сверхзвукового сопла // Сборник Тезисов Всероссийского аэроакустического форума. 2021. С. 110−111.
  16. Shur M.L., Spalart P.R., Strelets M.Kh. Noise Prediction for Increasingly Complex Jets. Part I: Methods and Tests. Part II: Applications // Int. J. Aeroacoustics. 2005. V. 4. № 3−4. P. 213−266.
  17. Faranosov G.A., Goloviznin V.M., Karabasov S.A., Kondakov V.G., Kopiev V.F., Zaitsev M.A. CABARET method on unstructured hexahedral grids for jet noise computation // Computers & Fluids. 2013. V. 88. P. 165−179.
  18. Markesteijn A.P., Karabasov S.A. GPU CABARET solver extension to handle complex geometries utilizing snappyHexMesh with asynchronous time stepping // AIAA Paper. 2017. AIAA-2017-4184.
  19. Duben A.P., Kozubskaya T.K. Evaluation of quasi-one-dimensional unstructured method for jet noise prediction // AIAA Journal. 2019. V. 57. № 12. P. 5142−5155.
  20. Brès G.A., Lele S.K. Modelling of jet noise: a perspective from large-eddy simulations // Phil. Trans. Royal Soc. A. 2019. V. 377. P. 20190081.
  21. Faranosov G.A., Kopiev V.F., Karabasov S.A. Application of azimuthal decomposition technique for validation of CAA methods // AIAA Paper. 2013. AIAA-2013-2238.
  22. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. М.: Наука, 1969. 824 с.
  23. Najafi-Yazdi A., Brès G.A., Mongeau L. An acoustic analogy formulation for moving sources in uniformly moving media // Proc. Royal Soc. A. 2011. V. 467. P. 144−165.
  24. Ozawa Y., Ibuki T., Nonomura T., Suzuki K., Komuro A., Ando A., Asai K. Single-pixel resolution velocity/convection velocity field of a supersonic jet measured by particle/schlieren image velocimetry // Experiments in Fluids. 2020. V. 61. № 129. P. 1−18.
  25. Бычков О.П., Фараносов Г.А. О связи пульсаций скорости и давления на оси и в ближнем поле турбулентной струи // Изв. РАН. МЖГ. 2021. № 4. С. 41−51.
  26. Witze P.O. Centerline velocity decay of compressible free jets // AIAA Journal. 1974. V. 12. № 4. P. 417−418.
  27. Bridges J., Wernet M. Establishing consensus turbulence statistics for hot subsonic jets // AIAA Paper. 2010. AIAA-2010-3751.
  28. Welch P. The use of fast Fourier transform for the estimation of power spectra: a method based on time averaging over short, modified periodograms // IEEE Trans. Audio Electroacoust. 1967. V. 15. № 2. P. 70−73.
  29. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Гидродинамика. М.: Наука, 1986. 736 с.
  30. Kopiev V.F., Zaitsev M.Yu., Chernyshev S.A. Sound radiation from a free vortex ring and a ring crossing an obstacle // AIAA Paper. 1998. AIAA-1998-2371.
  31. Зайцев М.Ю., Копьев В.Ф., Котова А.Н. Представление звукового поля турбулентного вихревого кольца суперпозицией квадруполей // Акуст. журн. 2001. Т. 47. № 6. С. 793−801.
  32. Зайцев М.Ю., Копьев В.Ф. Механизм генерации звука турбулентностью вблизи твердого тела // Изв. РАН МЖГ. 2008. Т. 43. №. 1. С. 98−109.
  33. Бычков О.П., Копьев В.Ф., Фараносов Г.А. Азимутальная декомпозиция шума струи, истекающей из двухконтурного сопла // Акуст. журн. 2022. Т. 68. № 4. С. 415−426.
  34. Faranosov G., Belyaev I., Kopiev V., Zaytsev M., Aleksentsev A., Bersenev Y., Chursin V., Viskova T. Adaptation of the azimuthal decomposition technique to jet noise measurements in full-scale tests // AIAA Journal. 2017. V. 55. № 2. P. 572−584.
  35. Faranosov G., Belyaev I., Kopiev V., Bychkov O. Azimuthal structure of low-frequency noise of installed jet // AIAA Journal. 2019. V. 57. № 5. P. 1885–1898.
  36. Towne A., Cavalieri A.V., Jordan P., Colonius T., Schmidt O., Jaunet V., Brès G.A. Acoustic resonance in the potential core of subsonic jets // J. Fluid Mech. 2017. V. 825. P. 1113−1152.
  37. Bogey C. Tones in the acoustic far field of jets in the upstream direction // AIAA Journal. 2022. V. 60. № 4. P. 2397−2406.
  38. Cavalieri A.V.G., Rodriguez D., Jordan P., Colonius T., Gervais Y. Wavepackets in the velocity field of turbulent jets // J. Fluid Mech. 2013. V. 730. P. 559−592.
  39. Lush P.A. Measurements of subsonic jet noise and comparison with theory // J. Fluid Mech. 1971. V. 46. № 3. P. 477−500.
  40. Бычков О.П., Фараносов Г.А. Экспериментальное исследование и теоретическое моделирование шума взаимодействия струи и крыла самолета // Акуст. журн. 2018. Т. 64. № 4. С. 437−453.
  41. Kopiev V., Chernyshev S. Correlation model of quadrupole noise sources in turbulent jet: effect of refraction // AIAA paper. 2015. AIAA-2015-3130.
  42. Cavalieri A.V.G., Jordan P., Colonius T., Gervais Y. Axisymmetric superdirectivity in subsonic jets // J. Fluid Mech. 2012. V. 704. P. 388−420.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. (а) — Сопло Лаваля, испытанное в [4]; (б) — расчетный и (в) — нерасчетный режимы истечения [4]; (г) — 3D-модель сопла, исследованного в расчете.

Скачать (95KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Сечение основной расчетной сетки (13 млн ячеек) продольной плоскостью симметрии: (а) — полная расчетная область; (б) — зона вблизи сопла.

Скачать (566KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Расположение контрольных FWH-поверхностей.

Скачать (203KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Расположение точек наблюдения (микрофонов) в дальнем поле: (а) — на дуге окружности; (б) — в наборе азимутальных колец, заметающих цилиндрическую поверхность в пределах –77 < x/D < 80.

Скачать (163KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Структура течения в плоскости симметрии струи: (а) — мгновенное поле продольной компоненты скорости, (б) — мгновенное поле давления (стрелкой показана ориентация нормали к фронту доминирующих звуковых волн).

Скачать (238KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Распределения среднего значения продольной компоненты скорости: (а) — вдоль оси струи: 1 — расчет на сетке 6 млн, 2 — расчет на сетке 13 млн, 3 — данные измерений [4], 4 — полуэмпирическая модель [22]; (б) — радиальные профили для различных сечений (1 – x/D = 4, 2 – x/D = 10): сплошные линии — расчет на сетке 13 млн, точки и штрихи — эксперимент [24].

Скачать (167KB)
Метаданные
8. Рис. 7. (а) — Распределение нормированных среднего значения (I) и среднекваратичного значения пульсаций (II) продольной компоненты скорости вдоль оси струи; (б) — нормированные спектры пульсаций продольной компоненты скорости в точке на оси струи x = 2Lc. 1 — данные измерений для М = 0.53 [25]; 2 – расчет для М = 0.53 [12], 3 – расчет для М = 2, проведенный в настоящей работе; 4 – закон "–5/3".

Скачать (146KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Спектры шума струи под углом θ = 20° (красные линии 1, 3, 5) и θ = 90° (синие линии 2, 4, 6): 1, 2 – эксперимент; 3, 4 – расчет на сетке 6 млн ячеек; 5, 6 – расчет на сетке 13 млн ячеек, расчетные спектры шума получены с использованием контрольной поверхности FWH2.

Скачать (99KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Сравнение расчетных и измеренных направленностей шума струи для различных чисел Струхаля: (а) — St = 0.12; (б) — 0.18; (в) — 0.3; (г) — 0.5. Маркеры — эксперимент, линии — расчет.

Скачать (217KB)
Метаданные
11. Рис. 10. Направленности азимутальных мод для (а) — St = 0.123 и (б) — St = 0.182. Маркеры — эксперимент [4], линии — расчет. 1 — мода , 2 — , 3 — , 4 — .

Скачать (193KB)
Метаданные
12. Рис. 11. Пространственно-частотная карта суммарного шума струи для цилиндрической поверхности R/D = 26.6 и линии ее сечения для анализа спектров и направленностей шума. Описание рисунка приведено в тексте.

Скачать (315KB)
Метаданные
13. Рис. 12. Спектры суммарного шума (1) и отдельных азимутальных мод (2 — мода , 3 — синус- и косинус-моды , 4 — синус- и косинус-моды , 5 — мода ). (а) — x/D = –77; (б) — x/D = 7; (в) — x/D = 40. Вертикальные линии обозначают примерную границу корректно разрешаемых в расчете частот.

Скачать (137KB)
Метаданные
14. Рис. 13. 1 — Спектр пульсаций давления на оси струи при x/D = 1.2; 2, 3 — спектры шума в дальнем поле при x/D = –77 для мод n = 0 и n = 1 соответственно. Для каждого случая показаны спектры с частотным разрешением ΔSt = 0.023 (сплошные линии) и ΔSt = 0.003 (пунктир). Вертикальными линиями отмечены границы резонансного усиления моды n = 0 (красный) и n = 1 (синий), рассчитанные для струи М = 2 на основе модели тангенциального разрыва [37].

Скачать (256KB)
Метаданные
15. Рис. 14. Нормированные в соответствии с (2) спектральные плотности мощности шума струй в боковом направлении (θ = 90°): 1 — струя М = 2, эксперимент [4]; 2 — струя М = 2, расчет, проведенный в настоящей работе (вертикальная линия обозначает примерную границу корректно разрешаемых в расчете частот); 3 — струя М = 0.53, эксперимент [40].

Скачать (151KB)
Метаданные
16. Рис. 15. Направленности азимутальных мод при различных числах Струхаля: (а) — St = 0.116; (б) — St = 0.186; (в) — St = 0.3. 1 — мода n = 0, 2 — n = 1, 3 — n = 2, 4 — n = 3.

Скачать (136KB)
Метаданные
17. Рис. 16. Направленность осесимметричной моды при St = 0.3: (а) — в линейном масштабе; (б) — в логарифмическом. 1 — данные численного моделирования, 2 — расчет по теории волн неустойчивости [4].

Скачать (121KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024