[論文レビュー] Jet-edge interaction tones

Peter Jordan, Vincent Jaunet+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 20, 2017

Aerodynamics and Acoustics in Jet Flows参考文献 22被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、乱流ジェットと鋭いエッジの相互作用によって発生する音響的トーンの発生機構を調査し、支配的なトーンが、従来のエッジトーンメカニズムではなく、下流方向に伝播するケルビン＝ヘルムホルツ波パッケージと上流方向に伝播するジェットモードとの結合によって生じることを明らかにした。この結合は、Towneら（2017年）およびSchmidtら（2017年）によって以前に同定されたものである。高周波数カットオフは、高マッハ数における上流波の増幅減衰特性に起因し、低周波数の強制共鳴領域では、下流方向に伝播する音響波との結合が関与しており、これは非モーダル波パッケージダイナミクスと関連している。

ABSTRACT

Motivated by the problem of jet-flap interaction noise, we study the tonal dynamics that occur when a sharp edge is placed in the hydrodynamic nearfield of an isothermal turbulent jet. We perform hydrodynamic and acoustic pressure measurements in order to characterise the tones as a function of Mach number and streamwise edge position. The distribution of spectral peaks observed, as a function of Mach number, cannot be explained using the usual edge-tone scenario, in which resonance is underpinned by coupling between downstream-travelling Kelvin-Helmholtz wavepackets and upstream-travelling sound waves. We show, rather, that the strongest tones are due to coupling between the former and upstream-travelling jet modes recently studied by Towne et al. (2017) and Schmidt et al. (2017). We also study the band-limited nature of the resonance, showing a high-frequency cut-off to be due to the frequency dependence of the upstream-travelling waves. At high Mach number these become evanescent above a certain frequency, whereas at low Mach number they become progressively trapped with increasing frequency, a consequence of which is their not being reflected in the nozzle plane. Additionally, a weaker, low-frequency, forced-resonance regime is identified that involves the same upstream travelling jet modes but that couple, in this instance, with downstream-travelling sound waves. It is suggested that the existence of two resonance regimes may be due to the non-modal nature of wavepacket dynamics at low-frequency.

研究の動機と目的

• 高 bypass比ジェットエンジンに代表される、ジェットとフラップが密接に配置された現代の高効率ターボファンエンジンを想定した、ジェット・エッジ相互作用系における強い離散周波数トーンの発生源を解明すること。
• 観測されたトーンが、上流方向に伝播する音響波と下流方向に伝播するケルビン＝ヘルムホルツ波の結合を伴う古典的エッジトーンメカニズムによって説明可能かどうかを検証すること。
• Towneら（2017年）およびSchmidtら（2017年）によって最近同定された上流方向に伝播するジェットモードが、観測された共鳴を駆動する役割を果たすかを調査すること。
• 上流方向に伝播する波の周波数依存的挙動、特に高周波数における増幅減衰特性と低周波数における波の捕獲（トラッピング）を分析すること。
• 2つの明確に異なる共鳴領域、すなわち強い高周波数領域と弱い低周波数強制共鳴領域を特定・特徴付けること。

提案手法

• 実験は、円形の乱流ジェットと、その流体力学的近場に配置された平らな長方形のプレート（鋭いエッジを有する）を用いた風洞実験で実施された。
• 実験装置には、近場マイクロホンと、18個のマイクロホンからなる方位角配列が含まれ、音響放射パターンを捉えた。
• 理論的枠組みは、線形化されたオイラー方程式に基づき、次元なしの波数と径方向固有関数 $ J_0(\alpha r) $ を用いて波モードを記述した。
• ノズル出口断面における運動量保存と質量保存を適用し、入射波、反射波、透過波の振幅を関連付ける境界条件を設定した。
• ノズル断面における圧力と速度の連続性を考慮し、上流および下流波の複素分散関係を組み込んだ反射係数を導出した。
• モデルはノズルモードのカットオフ条件を考慮し、マッハ数0.6〜0.82の範囲で、ジェットモードの第1径方向モードに注目して波動の挙動を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 古典的エッジトーン理論がスペクトルピーク分布を説明できない場合に、ジェット・エッジ相互作用で観測される強い離散周波数トーンの背後にある物理的メカニズムは何か？
• RQ2 従来の音波とは異なる、最近同定された上流方向に伝播するジェットモードは、ジェット・エッジ系における観測された共鳴にどのように寄与しているか？
• RQ3 なぜ共鳴は高周波数カットオフを示すのか？この挙動はマッハ数にどのように依存するか？
• RQ4 2番目の弱い低周波数共鳴領域が存在する理由は何か？これは主な高周波数トーンメカニズムとどのように異なるか？
• RQ5 低周波数における波パッケージダイナミクスの非モーダル性は、上流ジェットモードと下流音響波との結合にどのように影響するか？

主な発見

• 最も強いトーンは、上流方向に伝播するジェットモードと下流方向に伝播するケルビン＝ヘルムホルツ波パッケージとの結合によって駆動されており、従来の上流音響波とは異なる。これは、スペクトルピークの分布がこれらのモードの予測された分散関係と一致することによって裏付けられた。
• 高マッハ数（0.6–0.82）では、上流方向に伝播する波が臨界周波数を超えて増幅減衰特性を示し、観測されたトーンスペクトルにおける高周波数カットオフを説明できる。
• 低マッハ数では、上流波が周波数上昇に伴い徐々に捕獲され、ノズル断面での反射が減少し、フィードバックが弱まるため、高周波数トーンが観測されない。
• 低周波数領域に、同じ上流ジェットモードと下流方向に伝播する音響波との結合を伴う、2番目の弱い共鳴領域が存在し、強制共鳴メカニズムであると示唆される。
• 二重共鳴挙動は、低周波数における波パッケージダイナミクスの非モーダル性に起因し、フィードバックループの効率と波の相互作用メカニズムを変化させている。
• ノズル出口における運動量保存と質量保存に基づく理論モデルは、反射係数と波の振幅関係をうまく予測でき、ジェットモードがトーン生成に果たす役割を裏付けた。