Но как бы они ни старались, диапазоны просто не могут конкурировать с диапазонами децибел, создаваемыми реактивными двигателями. По словам Джо Николса, они являются одними из самых громких существующих источников антропогенного шума.Николс, доцент кафедры аэрокосмической техники и механики Миннесотского университета, восхищается звуком и его способностью находить порядок в хаосе, а также применяет это понимание при разработке новых технологий, которые могут снизить уровень шума в самолетах.
Николс работает с Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), Научно-исследовательским центром Министерства энергетики США (DOE) в Аргоннской национальной лаборатории DOE, чтобы создать высокоточное компьютерное моделирование, чтобы определить, как турбулентность струи создает шум. Результаты могут привести к новым инженерным разработкам, которые уменьшают шум над коммерческими маршрутами полета и на палубах авианосцев.«Шум говорит вам кое-что о фундаментальной природе турбулентности, потому что шум раскрывает порядок, который в противном случае скрыт в сложных, в высшей степени нелинейных, хаотических явлениях», — сказал он.
Вот почему реактивный шум представляет собой одновременно сложную и красивую проблему для Николса.Укрощение рев двигателяРеактивные двигатели производят шум по-разному, но в основном он исходит от высокоскоростной выхлопной струи, которая выходит из сопла в задней части двигателя. Самолеты работают громче всего, когда движутся медленно, например, при взлете или при посадке.
Поскольку выхлопной поток встречает относительно неподвижный воздух, он создает огромный сдвиг, который быстро становится нестабильным. Турбулентность, возникающая из-за этой нестабильности, превращается в рев двигателя.Инженеры-авиастроители используют шевроны, узоры в форме сломанной яичной скорлупы, в конструкции выхлопных сопел, чтобы изменить форму струи на выходе из двигателя. Идея состоит в том, чтобы уменьшить шум, изменив характер турбулентности.
Но большая часть дизайнерской работы остается игрой в догадки.Работая с ученым-вычислителем ALCF Рамешем Балакришнаном и суперкомпьютером Mira в Аргонне, Николс и его команда применяют вычислительную гидродинамику, чтобы избавиться от некоторых догадок.
Они начинают с проведения высокоточного моделирования больших вихрей, которое точно отражает физику турбулентности, создающей шум.Из этих симуляций они извлекают модели пониженного порядка или более краткие модели, которые объясняют, какая часть турбулентности на самом деле производит звук.
Помимо улучшения научного понимания струйного шума, эти модели пониженного порядка также предоставляют инженерам быстрые, но точные средства для оценки новых конструкций.Моделирование сложной геометрии, такой как турбулентность струи, требует использования неструктурированной сетки — неоднородной трехмерной сетки — для представления задействованной динамики. В этом случае одна симуляция может иметь 500 миллионов точек сетки. Умножьте это на пять, чтобы учесть давление, плотность и три компонента скорости для описания потока в каждой точке сетки.
Это соответствует миллиардам степеней свободы или количеству переменных, которые Mira использует для имитации шума реактивной струи.«Но что, если внутри турбулентности струи есть каркас когерентных структур потока, который мы можем описать всего с 50 степенями свободы», — предположил Николс. «Какие аспекты являются наиболее важными для создания шума струи?
Как структуры потока взаимодействуют друг с другом? Насколько точно скелетная модель может представлять симуляцию с высокой точностью?»Эта работа, опубликованная в прошлом году в журнале Physics of Fluids, может помочь инженерам более точно направлять моделирование геометрии сопла реактивного двигателя, определяя, например, идеальное количество и длину шевронов.«Что отличает работу Джо от других проектов вычислительной гидродинамики в ALCF, так это то, что она включает в себя разработку метода, который может стать инструментом проектирования для аэроакустики», — сказал Балакришнан из ALCF. «В его проекте используются вычислительные данные с тем, что он называет анализом ввода-вывода, который выявляет источники шума реактивной струи, которые в противном случае скрыты в прямом обычном прямом моделировании или даже в экспериментах».
Моделирование волн авиацииОдин из ведущих способов прогнозирования волн нестабильности, создающих звук внутри турбулентности, — это использование методов, основанных на вычислительном инструменте, называемом параболическими уравнениями устойчивости.
Но хотя они хорошо предсказывают источники сверхзвукового звука, им трудно предсказать все компоненты шума дозвуковой струи, особенно в боковом направлении или перпендикулярно потоку выхлопных газов.Команда Университета Миннесоты разработала новый метод, основанный на анализе ввода-вывода, который может прогнозировать как шум в нисходящем, так и боковом направлении. Хотя считалось, что боковой шум был случайным, режимы ввода-вывода показывают когерентную структуру в струе, которая связана с боковым шумом, так что ее можно прогнозировать и контролировать.Николс также использует вариант анализа ввода-вывода для изучения шума, создаваемого столкновением, когда струя реактивной струи направляется на плоскую поверхность, например, самолет взлетает с палубы авианосца или зависает над ней.
Подобно звукам гитары с нарушением децибел, столкновение создает петлю обратной связи, когда турбулентность ударяется о плоскую поверхность и ускоряется наружу. По мере того, как шум возвращается к реактивному соплу, возникает новая турбулентность, создавая чрезвычайно большие тона, которые могут достигать диапазона 170 децибел и нанести структурный ущерб рассматриваемому летательному аппарату.Команда обратилась к Мире с просьбой провести высокоточное моделирование падающей струи без каких-либо изменений, а затем измерила производимый ею шум. По сравнению с продолжающимися экспериментами, они очень точно предсказали те же самые тона.
Модель упрощенного моделирования помогла Николсу более точно предсказать, как изменить конфигурацию струи, чтобы устранить тоны обратной связи. Другое моделирование модифицированной струи показало, что тона почти полностью пропали.«Моделирование играет решающую роль, потому что они позволяют нам увидеть движения жидкости с пространственно-временным разрешением, которые невозможно измерить экспериментально, особенно если вы говорите о горячем выхлопе, движущемся со скоростью 1,5 Маха», — отметил Николс.Это исследование, по словам Балакришнана, все еще продолжается, но результаты обнадеживают.
Хотя он все еще нуждается в некоторой доработке, он обещает стать инструментом проектирования, который производители реактивных двигателей однажды могут использовать, чтобы успокоить небо.С другой стороны, для производителей электрогитар Fender и Gibson, возможно, не так много.