Акустическое излучение турбулентного пограничного слоя, образующегося над плоской гладкой границей

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Изложена последовательная теория генерации звука в турбулентном пограничном слое, развивающемся над плоской гладкой границей при малых числах Маха. Основным источником звука и длинноволновой части пульсаций давления на обтекаемой границе являются приходящие сдвиговые (вязкие) волны, генерируемые лайтхилловскими квадруполями в пристенной области турбулентного пограничного слоя. Показано, что при увеличении числа Рейнольдса (уменьшении вязкости) роль вязкости в генерации звука не уменьшается, а увеличивается. Даны количественные оценки спектра удельной звуковой мощности, генерируемой в турбулентном пограничном слое.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

И. В. Беляев

ФАУ ЦАГИ, Научно-исследовательский московский комплекс ЦАГИ

Email: vkopiev@mktsagi.ru
Россия, 105005, Москва, ул. Радио 17

В. Ф. Копьев

ФАУ ЦАГИ, Научно-исследовательский московский комплекс ЦАГИ

Автор, ответственный за переписку.
Email: vkopiev@mktsagi.ru
Россия, 105005, Москва, ул. Радио 17

М. А. Миронов

ФАУ ЦАГИ, Научно-исследовательский московский комплекс ЦАГИ

Email: mironov_ma@mail.ru
Россия, 105005, Москва, ул. Радио 17

Список литературы

  1. Lighthill M.J. On sound generated aerodynamically I. General theory // Proc. Royal Society A. 1952. V. 211. P. 564–586.
  2. Lighthill M.J. On sound generated aerodynamically: II. Turbulence as a source of sound. Proc. R. Soc. Lond. A. 1954. V. 222. 1–32.
  3. Голдстейн М.Е. Аэроакустика. М.: Машиностроение, 1981. 294 с.
  4. Мунин А.Г., Кузнецов В.М., Леонтьев Е.А. Аэродинамические источники шума. М.: Машиностроение, 1981. 288 с.
  5. Blake W.K. Mechanics of flow-induced sound and vibrations. Academic Press, 1986
  6. Curle N. The influence of solid boundaries upon aerodynamic sound // Proc. R. Soc. Lond. A. 1955. V. 231. P. 505–514.
  7. Kopiev V., Zaitsev M., Karavosov R. Experimental investigation of azimuthal structure of dipole noise for rigid cylinder inserted in turbulent jet. // 10th AIAA/CEAS Aeroacoustics Conference, AIAA Paper 2004–2927. 2004.
  8. Gloerfelt X., Pérot F., Bailly C., Juvé D. Flow-induced cylinder noise formulated as a diffraction problem for low Mach numbers // J. Sound Vibration. 2005. V. 287(1–2). P. 129–151.
  9. Остриков Н.Н. Излучение звука распределенными квадрупольными источниками вблизи твердых тел // Акуст. журн. 2021. Т. 58(4). С. 525–525.
  10. Zamponi R., Avallone F., Ragni D., Schram, C., Van Der Zwaag S. Relevance of quadrupolar sound diffraction on flow-induced noise from porous-coated cylinders // J. Sound Vibration. 2024. V. 583. 118430.
  11. Kopiev V., Belyaev I., Zaytsev M., Zhao K. Experimental study of truncated-cylinder struts for noise reduction of large-scale landing gears // J. Sound Vibration. 2021. V. 511. 116362.
  12. Kraichnan R.H. Pressure fluctuation in turbulent flow over a flat plate // J. Acoust. Soc. Am. 1956. V. 28. N. 3. P. 378–390.
  13. Phillips O.M. On the aerodynamic surface sound from a plane turbulent boundary layer // Proc. Royal Society of London. 1956. V. 234. P. 327–335.
  14. Powell A. Aerodynamic noise and the plane boundary // J. Acoust. Soc. Am. 1960. V. 32. N. 8. P. 982–990.
  15. Ефимцов Б.М., Кузнецов В.Б., Сысоев В.А. Турбулентные пульсации касательного напряжения на стенке // Ученые записки ЦАГИ. 1983. Т. 14. № 2. С. 67–75.
  16. Howe M.S. A note on the Kraichnan – Phillips theorem // J. Fluid Mechanics. 1992. V. 234, January. P. 443–448.
  17. Наугольных К.А., Рыбак С.А. Об излучении звука турбулентным пограничным слоем // Труды Акустического института. 1971. № 16. С. 129–134. Повторение в Акуст. журн. 1980. Т. 26. № 6. С. 890–894.
  18. Константинов Б.П. О поглощении звуковых волн при отражении от твердой границы // Журн. техн. физ. 1930. Т. 9. С. 3.
  19. Савельев А.Я. Эффект Константинова в некоторых задачах акустики // Акуст. журн. 1973. Т. 29. № 2. С. 231–239.
  20. Легуша Ф.Ф. Эффект Константинова и поглощение звука в неоднородных средах // Успехи физ. наук. 1984. Т. 144. Вып. 3. С. 509–522.
  21. Morfey C.L. The role of viscosity in aerodynamic sound generation (in honour of Alan Powell) // Int. J. Aeroacoustics. 2003. V. 2. No 3 & 4. P. 225–240.
  22. Landahl M.T. Wave mechanics of boundary layer turbulence and noise // J. Acoust. Soc. Am. 1975. V. 57. No 4. P. 824–831.
  23. Реутов В.П., Рыбушкина Г.В. О дипольном излучении турбулентных всплесков в пограничном слое // Акуст. журн. 1987. Т. 33. № 1. С. 152–153.
  24. Howe M.S. The role of surface shear stress fluctuations in the generation of boundary layer noise // J. Sound Vibration. 1979. V. 65 (2). P. 159–164.
  25. Crighton D.G., Dowling A.P., Williams J.F., Heckl M.A., Leppington F.A. Modern methods in analytical acoustics: lecture notes. Springer Science & Business Media, 2012.
  26. Hariri H.H., Akylas T.R. The wall shear stress contribution to boundary layer noise // Physics of Fluids. 1985. V. 28(9). P. 2727–2729.
  27. Смольяков А.В. Длинноволновые компоненты спектра нормальных напряжений на поверхности пластины в вязком потоке // Акуст. журн. 1989. Т. 35. Вып. 3. С. 506–514.
  28. Смольяков А.В. Новая модель взаимного и частотно-волнового спектров турбулентных пульсаций давления в пограничном слое // Акуст. журн. 2006. Т. 52. № 3. С. 393–400.
  29. Chase D.M. Fluctuations in wall-shear stress and pressure at low streamwise wavenumbers in turbulent boundary-layer flow // J. Fluid Mech. 1991, April. V. 225. P. 545–555.
  30. Chase D.M. Fluctuating wall-shear stress and pressure at low streamwise wavenumbers in turbulent boundary-layer flow at low Mach numbers // J. Fluids and Structures. 1992. No 6. P. 395–413.
  31. Leehey P. Structural excitation by a turbulent boundary layer: an overview // J. Vibration Stress and Reliability in Design. 1988. V. 110. P. 220–225.
  32. Dowling A.P. Underwater flow noise // Theoretical and Computational Fluid Dynamics. 1998. V. 10(1). P. 135–153.
  33. Данилов С.Д., Миронов М.А. Преобразование поперечных волн в продольные на границе раздела двух сред и проблема генерации звука турбулентностью // Акуст. журн. 1985. Т. 31. № 4. С. 527–528.
  34. Chase D.M. Generation of fluctuation normal stress in a viscoelastic layer by surface shear stress and pressure as in turbulent boundary-layer flow // J. Acoust. Soc. Am. 1991. V. 89. No 6. P. 2589–2596.
  35. Hu Z., Morfey C.L., Sandham N.D. Sound radiation in turbulent channel flows // J. Fluid Mech. 2003. V. 475. P. 269–302; Hu Z., Morfey C.L. and Sandham N.D. Sound radiation from a turbulent boundary layer // Physics of Fluids. 2006. V. 18. 098101.
  36. Wang M., Freund J.B., Lele S.K. Computational Prediction of Flow-Generated Sound // Annu. Rev. Fluid Mech. 2006. 38. P. 483–512.
  37. Corkos G.M. Resolution of pressure in turbulence // J. Acoust. Soc. Amer. 1963. V. 35. № 2. P. 192–199.
  38. Tam C.K.W. Intensity, spectrum, and directivity of turbulent boundary layer noise // J. Acoust. Soc. Am. 1975. V. 57. No 1. P. 25–34.
  39. Ефимцов В.М. Характеристики поля пристеночных турбулентных пульсаций давления при больших числах Рейнольдса // Aкуст. журн. 1982. Т. 28. № 4. С. 491–497.
  40. Diaz-Daniel C., Laizet S., Vassilicos J.C. Wall shear stress fluctuations: Mixed scaling and their effects on velocity fluctuations in a turbulent boundary layer // Phys. Fluids. 2017. V. 29. 055102.
  41. Cheng Cheng, Weipeng Li, Adrian Lozano-Duran, Yitong Fan, and Hong Liu. On the structure of streamwise wall-shear stress fluctuations in turbulent channel flows // Fourth Madrid Summer School on Turbulence J. Phys.: Conf. Ser. 2020. V. 1522, 012010.
  42. Ôrlü R., Schlatter P. On the fluctuating wall-shear stress in zero pressure-gradient turbulent boundary layer flows // Phys. Fluids. 23:021704, 2011.
  43. Yang X.I.A. and Lozano-Durán A. A multifractal model for the momentum transfer process in wall bounded flows // J. Fluid Mech. 824: R2, 2017.
  44. Gloerfelt X., Berland J. Turbulent boundary layer noise: direct radiation at Mach number 0.5 // J. Fluid Mechanics. 2014. V. 723. P. 318–351.
  45. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Гидродинамика. М.: Наука, 1986. 733 с.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Генерация звука при отражении сдвиговой волны от плоской границы (обратный эффект Константинова) [18].

Скачать (25KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Генерация сдвиговой волны при отражении от плоскости звуковой волны (прямой эффект Константинова) [18].

Скачать (21KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Источники поля скорости в ТПС: 1 – лайтхилловские квадруполи, 2 – нормальные поверхностные диполи, 3 – касательные поверхностные диполи.

Скачать (8KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Система координат, поле давления и проекции поля скорости.

Скачать (12KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Энергетический спектр касательных напряжений на основе численного моделирования [40].

Скачать (27KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Сравнение результатов теоретической модели и численного счета [40]: пунктир – численный эксперимент, красная кривая – теория.

Скачать (45KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Теоретический спектр касательных напряжений с нормировкой на внутренние масштабы.

Скачать (51KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Примеры спектра уровня излучаемой мощности: 1 – , 2 – .

Скачать (23KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Зависимость уровня излучаемой мощность с единичной площади от скорости.

Скачать (46KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024