[논문 리뷰] Jet-edge interaction tones

Peter Jordan, Vincent Jaunet외 5명|arXiv (Cornell University)|2017. 10. 20.

Aerodynamics and Acoustics in Jet Flows참고 문헌 22인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 날카로운 가장자리와 상호작용하는 난류 제트에서 발생하는 톤 음향을 조사하며, 주요 톤이 이전에 Towne 등 (2017)과 Schmidt 등 (2017)에 의해 규명된 후행파방향으로 전파되는 켈빈-헬름홀츠 웨이브패킷과 상행파방향으로 전파되는 제트 모드 간의 결합에 기인하며, 고전적인 가장자리 음향 메커니즘보다 더 강력하다고 밝힌다. 고속도에서의 고주파수 절단 현상은 고마하 수에서 상행파의 퇄성 행동에 기인하며, 저주파수 강제 공진 영역은 후행파방향 음파와의 결합을 통해 발생하며, 이는 비모달 웨이브패킷 역학과 관련된다.

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.

연구 동기 및 목표

• 현대 고비드스비 터보팬 항공기에서 가까이 위치한 제트-플랩 구성을 고려할 때, 제트-가지 상호작용 시 강력하고 이산 주파수를 갖는 음향의 기원을 이해하는 것.
• 관측된 음향이 상행파 음파와 후행파방향 켈빈-헬름홀츠 웨이브 패킷을 포함하는 고전적 가장자리 음향 이론로 설명될 수 있는지 확인하는 것.
• Towne 등 (2017)과 Schmidt 등 (2017)에 의해 최근 규명된 상행파방향 제트 모드가 관측된 공진을 이끄는 데 기여하는 역할을 조사하는 것.
• 상행파방향 파동의 주파수 의존성 행동을 분석하며, 고주파수에서의 퇴화 성향과 저주파수에서의 갇힘 현상을 포함한다.
• 두 가지 명백한 공진 영역을 식별하고 특성화하는 것: 강력한 고주파수 영역과 약한 저주파수 강제공진 영역.

제안 방법

• 원형 난류 제트와 노즐의 유동 근접 영역에 위치한 날카로운 가장자리가 있는 평평한 직사각형 판을 사용하여 풍동에서 유동 및 음압 측정을 수행하였다.
• 실험 설정에는 음향 복사 패턴을 캡처하기 위한 근접 마이크로폰과 18개의 아우라지멀 배열 마이크로폰이 포함되었다.
• 선형화된 오일러 방정식을 기반으로 한 이론적 프레임워크를 개발하였으며, 비차원화된 파수와 반경 방향 고유함수 $ J_0(\alpha r) $ 를 사용하여 파동 모드를 기술하였다.
• 노즐 출구에서의 동역학적 운동량 및 질량 보존 원리를 적용하여, 입사파, 반사파, 투과파 진폭 간의 관계를 설정하였다.
• 노즐 평면에서 압력과 속도의 연속성 조건을 적용하여 반사 계수를 유도하였으며, 상행파 및 후행파의 복잡한 분산 관계를 통합하였다.
• 모델은 노즐 모드의 컷온 조건을 고려하며, 0.6에서 0.82의 마하 수 범위에서 제트 모드의 제1 반경 모드에 집중하여 파동 행동을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고전적 가장자리 음향 이론이 스펙트럼 피크 분포를 설명하지 못할 때, 제트-가지 상호작용에서 관측된 강력한 이산 주파수 음향의 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ2 최근 규명된 상행파방향 제트 모드(기존의 음파와는 다름)는 제트-가지 시스템에서 관측된 공진에 어떻게 기여하는가?
• RQ3 왜 공진은 고주파수 절단 현상을 보이며, 이 행동은 마하 수에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ4 두 번째로 약한 저주파수 공진 영역이 존재하는 이유는 무엇이며, 이는 주요 고주파수 톤 메커니즘과 어떻게 다를까?
• RQ5 저주파수에서 비모달 웨이브패킷 역학이 상행파 제트 모드와 후행파 음파 간의 결합에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 가장 강력한 톤은 고전적인 상행파 음파가 아닌, 후행파방향 켈빈-헬름홀츠 웨이브패킷과 상행파방향 제트 모드 간의 결합에 의해 발생하며, 이는 이 모드의 예측된 분산 관계와 일치하는 스펙트럼 피크 분포로 확인되었다.
• 고마하 수 (0.6–0.82)에서 상행파방향 파동은 임계 주파수 이상에서 퇴화 행동을 보이며, 이는 관측된 톤 스펙트럼의 고주파수 절단 현상을 설명한다.
• 저마하 수에서는 주파수가 증가함에 따라 상행파방향 파동이 점차 갇히며, 노즐 평면에서의 반사가 감소하고 피드백가 약화되어 고주파수 음향이 나타나지 않는 이유를 설명한다.
• 저주파수에서 두 번째로 약한 공진 영역이 존재하며, 이는 동일한 상행파 제트 모드와 후행파방향 음파 간의 결합을 포함하며, 강제공진 메커니즘을 시사한다.
• 이중 공진 행동은 저주파수에서 비모달 웨이브패킷 역학에 기인하며, 이는 피드백 루프 효율성과 파동 상호작용 메커니즘을 변화시킨다.
• 노즐 출구에서 운동량 및 질량 보존 원리를 기반으로 한 이론 모델은 반사 계수 및 파동 진폭 관계를 성공적으로 예측하였으며, 제트 모드가 음향 생성에 기여하는 것을 검증하였다.