Computational Aeroacoustics of Supersonic Jets exhausting twin and aerospike nozzle systems

QC260223

Abstract

Denna studie undersöker bullergenerering i supersoniska jets med stötvågcellstrukturer i aerospike- och dubbla fyrkantiga dyskonfigurationer med hjälp av ett beräkningsmässigt aeroakustiskt ramverk. Dubbla fyrkantiga dysor möjliggör förenklad integration i flygplanskroppen jämfört med cirkulära dysor. Dubbla fyrkantiga supersoniska jets kan dock ge upphov till kopplade svängningar som resulterar i förhöjda ljudtrycksnivåer. Aerospike-dysor kännetecknas av höjdadaptionsförmåga och potentiellt förbättrad styrning av dragkraftsvektorn. Dessutom gör deras axialsymmetriska form dem till ideala kandidater för integration i roterande detonationsmotorer (RDE). De flesta undersökningarna av aerospike-dysor har handlat om deras design och integration i RDE, medan relativt sett mindre uppmärksamhet har ägnats åt jetens beteende och den därmed förknippade akustiska signaturen. Dessutom kräver effekterna av hög temperatur, virvlande och RDE-liknande randvillkor på mekanismerna för bullergenerering fortfarande ytterligare undersökning. Även om system med dubbla dysor har undersökts i stor utsträckning, är dubbla fyrkantiga dysor fortfarande relativt outforskade. Icke-idealt expanderade jets kännetecknas av en stötvågcellstruktur vars interaktion med nedströms konvekterade virvelstrukturer utgör den primära ljudkällan. För att analysera mekanismerna bakom ljudgenereringen genomför vi Large Eddy Simulations (LES) i kombination med en aeroakustisk fjärrfältsberäkning baserad på Ffowcs Williams-Hawkings (FW-H)-ekvationen vid ovannämnda randvillkor. Kopplingsmekanismerna för dubbla fyrkantiga jets undersöks genom en analys av koherenta flödesstrukturer baserade på Doaks Momentum Potential Theory (MPT), och de numeriska förutsägelserna stämmer väl överens med experimentella data. Aerospike-dysans jet uppvisar två stötvågcellstrukturer med olika längd: en ringformad struktur runt aerospiken och en andra struktur som bildas nedströms. Höga temperaturer resulterar i en kortare jetpotentialkärna och högre konvektionshastigheter för virvelstrukturer, vilket främjar Mach-vågstrålning. Virvlande randvillkor förkortar, och kan till och med undertrycka, den nedströms liggande stötvågcellstrukturen. Mekanismerna bakom screech kartläggs genom att härleda nya dispersionsrelationer som beskriver de styrda jetmoderna (GJM) som kan stänga återkopplingsloopar i virvlande cirkulära och ringformade jets. Mycket god överensstämmelse observeras mellan de analytiska modellerna och de uppströmsutbredande GJM i LES-beräkningarna. Höga temperaturer främjar kopplingen mellan återkopplingsloopar för screech, en egenskap som inte observeras under kalla randvillkoren. Slutligen tyder de LES-resultaten med RDC-liknande inloppsvillkoren på att den sneda stötvågen dominerar den aeroakustiska signaturen. Denna studie presenterar de första högupplösta simuleringarna i kombination med aeroakustisk karakterisering av supersoniska aerospike-dysor. Den undersöker specifikt RDE-relevanta randvillkor, nämligen virvlande flöde och förhöjda temperaturer. Etablerade aeroakustiska jetmodeller tillämpas och utvidgas för att fånga upp ljudgenereringsmekanismerna som är förknippade med den ringformade geometrin och de unika flödesförhållandena. Framtida arbete kommer att undersöka strategier för bullerreducering, inklusive chevrons och co-flow, för att motverka effekterna av den sneda stötvågen i den idealiserade RDC-konfigurationen.

Link to DiVA