Численное моделирование интегральным методом Фокса-Вильямса Хокингса способа снижения акустического давления при помощи взаимодействия реактивной струи с потоком воды

Авторы

Исправникова О. В.^*, Пешков Р. А.^**, Федоров А. В.^***

Южно-Уральский государственный университет, Челябинск, Россия

*e-mail: ispravnikova.2000@mail.ru
**e-mail: peshkovra@susu.ru
***e-mail: fedorovav@susu.ru

Аннотация

Развитие аэрокосмической отрасли приводит к ужесточению требований к летательным аппаратам по уровню шума, что стимулирует поиск новых способов его снижения. Определение уровней акустического шума является сложной задачей, решение которой зачастую требует проведения дорогостоящих экспериментов в натурных условиях. Применение методов численного моделирования позволяет оптимизировать исследовательский процесс, сократить количество натурных экспериментов и эффективно изучать влияние различных факторов на акустические характеристики. В работе исследована эффективность снижения шума сверхзвуковой струи путем ее взаимодействия с водным потоком. Численное моделирование процесса выполнено с использованием программного комплекса ANSYS Fluent. Для расчета акустических полей применен метод Фокса Вильямса-Хокингса (Ffowcs Williams & Hawkings), обладающий преимуществами в скорости и точности вычислений по сравнению с другими методами, что делает его широко востребованным инструментом в современной аэроакустике. Верификация численной модели проведена путем сравнения полученных результатов с данными экспериментальных измерений. Полученные результаты демонстрируют потенциал взаимодействия сверхзвуковой струи с водным потоком для снижения уровня шума и подтверждают эффективность метода Фокса Вильямса-Хокингса для решения подобных задач.

Ключевые слова:

аэроакустика, шум, сверхзвуковая струя, ANSYS Fluent, турбулентность

Библиографический список

1. Богданюк Д.О., Волков К.Н., Емельянов В.Н., Пустовалов А.В. Газовая динамика стационарных сверхзвуковых газовых струй с инертными частицами при их истечении в среду с низким давлением // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2023. Т. 23. № 2. С. 403-412. DOI: 10.17586/2226-1494-2023-23-2-403-412
2. Абдурашидов Т.О., Бут А.Б., Чупина Е.С. Результаты численного моделирования истечения сверхзвуковой струи // Труды МАИ. 2023. № 130. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=174624. DOI: 10.34759/trd-2023-130-24
3. Горев В.Н., Попов С.А., Козлов В.В. Экспериментальное исследование возможности применения акустики для управления срывом потока на крыле летательного аппарата // Труды МАИ. 2011. № 46. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=26026
4. Запрягаев В.И., Иванов И.Э., Крюков И.А., Локотко А.В. Исследование структуры турбулентной струи // VII Международная конференция по неравновесным процессам в соплах и струях, NPNJ-2008 (Алушта, 24-31 мая 2008): сборник трудов. - М.: Изд-во МАИ, 2008. С. 192–195.
5. Кравчук М.О., Кудимов Н.Ф., Сафронов А.В. Вопросы моделирования турбулентности для расчета сверхзвуковых высокотемпературных струй // Труды МАИ. 2015. № 82. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=58536
6. Ларина Е.В., Крюков И.А., Иванов И.Э. Моделирование осесимметричных струйных течений с использованием дифференциальных моделей турбулентной вязкости // Труды МАИ. 2016. № 91. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=75565
7. Родионов A.В. Разработка методов и программ для численного моделирования неравновесных сверхзвуковых течений в приложении к аэрокосмическим и астрофизическим задачам: Дисс… канд. физ.-мат. наук. Саров, 2019. 299 с.
8. Акимов Г.А. Научно-педагогическая школа кафедры аэрогазодинамики и динамики полета. – СПб.: Балтийский государственный технический университет "Военмех", 2012. – 220 с.
9. Либерман М.Ю. О моделировании процессов формирования пусковых нагрузок, оказывающих динамическое воздействие на космический аппарат // Вопросы электромеханики. 2013. Т. 136. С. 19–30.
10. Носатенко П.Я., Бобров А.В., Баранов М.Л., Шляпников А.Н. Экспериментальное определение акустических нагрузок при пусках РН «Стрела» и расчетное определение режимов экспериментальной отработки выводимых космических аппаратов // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета. 2010. № 2. С. 112–123.
11. Попов П.А., Синдюков А.А. Конструктивные мероприятия по снижению акустического давления внутри изделий ракетно-космической техники // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета. 2014. Т. 43. № 1. С. 68–79.
12. Губанов Д.А. Влияние микроструй на структуру и акустическое излучение сверхзвуковой нeдорасширенной струй: Дисс. … канд. физ.-мат. наук. – Новосибирск, ИТПМ СО РАН, 1990. –140 с.
13. Norum T.D. Reduction in multi component jet noise by water injection // AIAA Paper, 2004. DOI: 10.2514/6.2004-2976
14. Ffowcs Williams J.E., Hawkings D.L. Sound Generated by Turbulence and Surfaces in Arbitrary Motion // Philosophical Transactions of the Royal Society, 1969, vol. A264, no. 1151, pp. 321-342. DOI: 10.1098/rsta.1969.0031
15. Brentner K.S., Farassat F. An analytical comparison of the acoustic analogy and Kirchhoff formulation for movingsurfaces // AIAA Journal, 1998, vol. 36, no. 8, pp. 1379–1386. DOI: 10.2514/2.558
16. Kefan Tang M.S. Numerical Simulation of the Flow-Induced Noise by Means of the Hybrid Method by LES and Aeroacoustic Analogy. Dissertation, Siegen University, 2004.
17. Weckmüller C., Gu´erin S., Richter C. Numerical investigation of geometry and mean flow effect on acousticradiation from a duct inlet // Proceedings of the 13th AIAA/CEAS Aeroacoustics Conference, Rome, Italy, 2009. DOI: 10.2514/6.2007-3535
18. FLUENT 12.0 Theory Guide. URL: https://www.afs.enea.it/project/neptunius/docs/fluent/html/th/main_pre.htm
19. Зиганшин А.М. Вычислительная гидродинамика. Постановка и решение задач в процессоре Fluent. – Казань: Изд-во Казанского государственного архитектурно-строительного университета, 2013. – 81 с.
20. Sankaran S., Ignatius J.K., Ramkumar R. et al. Suppression of high mach number rocket jet noise by water injection // Journal of Spacecraft and Rocket, 2009, vol. 46 (26), pp. 1164–1170. DOI: 10.2514/1.43421

Скачать статью