[论文解读] 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 3

一句话总结

本研究探讨了湍流射流与尖锐边缘相互作用所产生的音调噪声，发现主导音调源于向下游传播的凯尔文-赫姆霍兹波包与向上游传播的射流模态之间的耦合——这一机制此前由Towne等人（2017年）和Schmidt等人（2017年）识别——而非经典的边缘音调机制。高频截止现象归因于高马赫数下上游波的倏逝行为，而低频强迫共振区则涉及与向下游传播的声波耦合，与非模态波包动力学相关。

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.

研究动机与目标

• 理解在现代高涵道比涡扇发动机中，喷嘴与襟翼配置紧密耦合时，射流-边缘相互作用系统中强离散频率音调的起源。
• 确定所观测到的音调是否可由涉及上游传播声波与下游凯尔文-赫姆霍兹波的古典边缘音调机制解释。
• 研究最近发现的上游传播射流模态（Towne等人，2017年；Schmidt等人，2017年）在驱动观测到的共振中的作用。
• 分析上游传播波的频率依赖行为，包括其在高频下的倏逝特性与低频下的波导束缚特性。
• 识别并表征两种不同的共振区：一种为强高频区，另一种为弱低频强迫共振区。

提出的方法

• 在风洞中通过圆形湍流射流与置于射流流体近场的平坦矩形平板（带尖锐边缘）开展流体动力学与声压测量。
• 实验装置包括一个近场麦克风和一个由18个麦克风组成的方位角阵列，用于捕捉声辐射特性。
• 基于线性化欧拉方程构建理论框架，采用无量纲波数与径向本征函数 $ J_0(\alpha r) $ 描述波模态。
• 通过在喷嘴出口截面应用动量与质量守恒，结合边界条件，关联入射波、反射波与透射波的振幅。
• 从喷嘴平面上压力与速度的连续性出发，推导出反射系数，引入上游与下游波的复频散关系。
• 该模型考虑了喷嘴模态的起振条件，并在马赫数范围0.6至0.82内评估波的行为，聚焦于射流模态的第一阶径向模态。

实验结果

研究问题

• RQ1 在经典边缘音调理论无法解释谱峰分布时，射流-边缘相互作用中观测到的强离散频率音调背后的物理机制是什么？
• RQ2 最近发现的上游传播射流模态（与传统声波不同）如何在射流-边缘系统中贡献于观测到的共振？
• RQ3 为何共振表现出高频截止现象？该行为如何随马赫数变化？
• RQ4 为何存在第二个较弱的低频共振区？它与主要的高频音调机制有何不同？
• RQ5 低频下波包动力学的非模态特性如何影响上游射流模态与下游声波之间的耦合？

主要发现

• 最强音调由向下游传播的凯尔文-赫姆霍兹波包与向上游传播的射流模态之间的耦合驱动，而非经典上游声波，该结论通过谱峰分布与这些模态预测频散关系的匹配得到证实。
• 在高马赫数（0.6–0.82）下，上游传播波在临界频率以上呈现倏逝行为，解释了音调谱中观测到的高频截止现象。
• 在低马赫数下，上游波随频率升高逐渐被束缚，导致喷嘴截面反射减弱，反馈减小，从而解释了高频音调的缺失。
• 在低频存在第二个较弱的共振区，涉及相同上游射流模态与向下游传播声波的耦合，表明存在强迫共振机制。
• 双共振行为归因于低频下波包动力学的非模态特性，该特性改变了反馈环路效率与波相互作用机制。
• 基于喷嘴出口截面动量与质量守恒的理论模型，成功预测了反射系数与波振幅关系，验证了射流模态在音调生成中的作用。