Понимание шума струи — интригующая фундаментальная проблема физики жидкостей, увлекающая исследователей более 60 лет. Отчасти это очарование струйным шумом проистекает из того факта, что кажущиеся случайными флуктуации, связанные с турбулентностью потока, создают поразительно упорядоченные акустические поля. Другими словами: если мы сможем понять, как турбулентные струи создают шум, это, в свою очередь, предоставит принципиально новое понимание турбулентности, стоящей за ними.Как сообщает группа исследователей из Университета Миннесоты в области физики жидкостей из AIP Publishing, они разработали новый подход к изучению турбулентности в струях.
Их подход привел к открытию новых когерентных режимов — частей жидкости, которые текут по предсказуемым схемам — связанных с динамикой высокоскоростных струй. Это открытие помогает объяснить, почему струи такие громкие, и может предложить новые подходы к снижению громкости.
«Еще в 1960-х годах было показано, что когерентные части турбулентных колебаний внутри струй связаны с волновыми пакетами нестабильности, которые связаны с шумовым излучением», — сказал Джозеф У. Николс, доцент аэрокосмической техники и механики в Университете Миннесоты. . «Волновой пакет — это колебание, которое повторяется, если вы смотрите на него в течение короткого времени и в масштабе длины, но когда вы уменьшаете масштаб, вы можете видеть, что оно медленно меняется на большом расстоянии».Это медленное изменение, например, может быть вызвано распространением струи вниз по потоку. «Тот же основной принцип применяется к радио с амплитудной модуляцией [AM], где модуляция высокочастотной несущей волны передает информацию о низкочастотных речевых моделях», — пояснил он. «В шуме струи эта несущая волна вызывается нестабильностями жидкости, которые подпитываются энергией, содержащейся внутри струи.
Однако вместо кодирования речевых паттернов амплитудная модуляция волновых пакетов нестабильности определяет эффективность и пространственное направление, при котором звук излучается из струи. турбулентность ".В последние годы другие исследователи вычислили волновые пакеты нестабильности и обнаружили, что они предсказывают пиковый шум струи для сверхзвуковых струй. «Однако для высокоскоростных дозвуковых реактивных двигателей теория не работает — уровни звукового давления недооцениваются как минимум на два порядка», — сказал Николс. «Преобладающая точка зрения, лежащая в основе современных кодов прогнозирования шума реактивной струи, заключается в том, что мелкомасштабная турбулентность ответственна за этот пропущенный звук, и что это явление можно смоделировать только статистически».Напротив, Николс и его коллеги рассматривали турбулентные струи через призму всей системы, а не отдельных компонентов — подход, уходящий корнями в электротехнику и теорию управления. «Мы рассматриваем высокоскоростные турбулентные струи как усилители, которые принимают турбулентные колебания внутри струи в качестве входных сигналов и возвращают звук в области, удаленной от струи, в качестве выходных», — сказал Михайло Йованови? доцент кафедры электротехники и вычислительной техники в Университете Миннесоты. «И мы используем эту математическую основу для определения режимов, которые вызывают большое усиление на входе-выходе и генерируют громкий шум».Междисциплинарная исследовательская группа подтвердила существование этих новых режимов, используя моделирование высокоскоростных реактивных самолетов с высокой точностью.
Исследователи численно решили сжимаемые уравнения Навье-Стокса, которые описывают движение вязких жидкостей, разделив высокоскоростной струйный поток на сотни миллионов мелких частей. «Каждая из этих маленьких частей взаимодействует с соседними частями, создавая картину большого диапазона масштабов турбулентного движения», — сказала Джина Джин, аспирантка аэрокосмической инженерии и механики Университета Миннесоты.Для запуска такого моделирования могут потребоваться сотни тысяч компьютерных процессоров одновременно на некоторых из самых мощных суперкомпьютеров в мире, расположенных в Аргоннской национальной лаборатории и в суперкомпьютерных центрах Министерства обороны США. «Хотя высокоточные симуляции потребляют миллионы процессорных часов, мы применяем наш новый анализ для извлечения из них информации, необходимой для построения точных моделей пониженного порядка, которые можно запускать за считанные минуты на портативном компьютере, полезном для аэроакустического проектирования», — сказал Джин.
С точки зрения приложений для работы группы снижение шума от реактивных самолетов имеет большое влияние на здоровье и безопасность персонала аэропорта, а также на сообщества, окружающие аэропорты.Их вычисления также позволяют понять физические явления, недоступные экспериментально, например, потому что они происходят в экстремальных условиях, которые не могут быть оснащены датчиками. «Например, анализ входных и выходных потоков может быть применен для выяснения того, как турбулентность вверх по потоку внутри сопла влияет на поток вниз по потоку», — отметил Джин.В общем, шум — это увлекательный способ найти структуру в потоках, которые иначе были бы хаотичными, из-за его чувствительности к когерентности.
Таким образом, эти методы моделирования и анализа могут быть применены к «более широкому кругу проблем, таких как понимание нестабильности в следе ветряных турбин, исследование взаимодействия акустического пламени для разработки более безопасного и более эффективного сгорания и объяснение вызванного ударом удара. "переход в гиперзвуковых пограничных слоях", — сказал Николс.