شبیه‌سازی عددی نویز آیروآکوستیکی حاصل از بازتاب جت مافوق صوت به روش ترکیبی المان مرزی و دینامیک سیالات محاسباتی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

مجتمع دانشگاهی هوافضا، دانشگاه صنعتی مالک‌اشتر، تهران، ایران

چکیده

محاسبه بارهای صوتی ناشی از برخورد جریان خروجی موتور حامل‌های فضایی به سکوی پرتاب، یکی از چالش‌های اساسی در صنعت فضایی است. میزان صدای جریان موتور و بازتاب صدا از روی سکو و تأثیر آن بر روی محموله، به پارامترهای آشفتگی جریان، گردابه‌های ایجاد شده، هندسه نازل و هندسه سکوی پرتاب وابسته است. هدف از پژوهش حاضر، محاسبه صدای جریان مافوق صوت موتور به همراه بازتاب صدا از روی سطح منحرف کننده جریان در زیر موتور با روش ترکیبی المان مرزی و دینامیک سیالات محاسباتی است. برای این کار، صدای حاصل از جت مافوق صوت خروجی از نازل موتور یک حامل فضایی مورد مطالعه گرفته است. برای مشاهده تأثیر بازتاب امواج صوت از سکوی پرتاب، نتایج در دو حالت (با در نظر گرفتن منحرف‌کننده جت و بدون درنظر گرفتن آن) مقایسه شده است. شبیه‌سازی عددی بصورت سه بعدی، ناپایا، تراکم‌پذیر و آشفته انجام شده است و از روش المان مرزی به عنوان یک روش کارآمد برای محاسبه انتشار و بازتاب امواج صوتی استفاده شد. نتایج بدست آمده نشان می‌دهند که میزان نویز تولید شده با در نظر گرفتن بازتاب صوت از روی منحرف کننده، به طور قابل توجهی افزایش می‌یابد. مقدار نویز تولید شده پرتابه با در نظر گرفتن منحرف‌کننده جت، 8 تا 10 دسی‌بل بیشتر از نویز تولید شده پرتابه بدون درنظر گرفتن منحرف‌کننده است. همچنین نتایج نشان می‌دهند که حضور منحرف‌کننده جت سبب یکنواختی بیشتر امواج صوتی بر روی پرتابه می‌شود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Numerical Simulation of Aero-Acoustic Noise from Supersonic Jet Reflection Using Computational Fluid Dynamics/Boundary Element Method

نویسندگان [English]

  • Maryam Babaei Dooki
  • hamid parhizkar
  • Sajjad Ghasemlooy
MSc, Aerospace Engineering, Malek Ashtar University of Technologyو ،ثاقشدو ]قشد
چکیده [English]

Calculating acoustic loads due to the flow field produced by the outlet flow of launch vehicles impinging on the launch pad is one of the main challenges in the space industry. The sound level of outlet flow from the engine and reflection of produced acoustic waves from the launch pad and their effect on payloads depends on the turbulence parameters, created vortices, nozzle geometry, and launch pad geometry. The present paper aims to calculate the sound level generated by supersonic flow at the outlet of the launch vehicle engine besides the sound reflection from the flow deflector below the engine using a hybrid computational fluid dynamics/ boundary element method. For this purpose, the sound produced by the nozzle outlet flow in the supersonic engine of a launch vehicle is studied. In order to observe the effect of the reflection of acoustic waves from the launch pad, results are compared between two cases (with a flow deflector and without it). Numerical simulation is performed for the three-dimensional viscous compressible turbulent flow, and the boundary element method is used to compute the propagation and reflection of acoustic waves. Obtained results indicate that the generated noise level impressively increases when considering acoustic wave reflection from the deflector. The noise level generated by the projectile engine in the presence of a jet flow deflector is higher by about 8-10 dB than in the absence of a deflector. Also, results show that the acoustic waves over the projectile become more uniform by using a deflector.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Aeroacoustic noise
  • Impinging jet
  • Boundary element method
  • Reflection
  • Jet deflector

مراجع

[1] I.B. Jahromi, Acoustics of transient supersonic jet collision with deflection wall experimentally using high temperature reflective shock tube fabrication,PhD Thesis, Sharif University, 2016 in Persian.
[2] A. Tosh, P. Liever, F. Owens, Y. Liu, A high-fidelity CFD/BEM methodology for launch pad acoustic environment prediction, in:  18th AIAA/CEAS Aeroacoustics Conference (33rd AIAA Aeroacoustics Conference), 2012, pp. 2107.
[3] J.N. Cole, R.T. England, R.G. Powell, Effects of Various Exhaust Blast Deflectors on the Acoustic Noise Wright Air Development Division, Air Research and Development Command, 1960.
[4] A. Krothapalli, E. Rajkuperan, F. Alvi, L. Lourenco, Flow field and noise characteristics of a supersonic impinging jet, Journal of Fluid Mechanics, 392 (1999) 155-181.
[5] T. Nonomura, K. Fujii, POD of aeroacoustic fields of a jet impinging on an inclined plate, in:  16th AIAA/CEAS aeroacoustics conference, 2010, pp. 4019.
[6] H. Honda, T. Nonomura, K. Fujii, M. Yamamoto, Effects of plate angles on acoustic waves from a supersonic jet impinging on an inclined flat plate, in:  41st AIAA fluid dynamics conference and exhibit, 2011, pp. 3260.
[7] H.J. Hussein, S.P. Capp, W.K. George, Velocity measurements in a high-Reynolds-number, momentum-conserving, axisymmetric, turbulent jet, Journal of Fluid Mechanics, 258 (1994) 31-75.
[8] S. Tsutsumi, T. Ishii, K. Ui, S. Tokudome, K. Wada, Study on acoustic prediction and reduction of Epsilon launch vehicle at liftoff, Journal of Spacecraft and Rockets, 52(2) (2015) 350-361.
[9] N. Karthikeyan, L. Venkatakrishnan, Acoustic characterization of jet interaction with launch structures during lift-off, Journal of Spacecraft and Rockets, 54(2) (2017) 356-367.
[10] L. Zhang, W.-j. Ruan, H. Wang, P.-x. Wang, Numerical Simulation of Supersonic Gas Jet Flows and Acoustics Fields, International Journal of Aerospace and Mechanical Engineering, 10(2) (2016) 232-236.
[11] M.S. Escarti-Guillem, S. Hoyas, L.M. García-Raffi, Rocket plume URANS simulation using OpenFOAM, Results in Engineering, 4 (2019) 100056.
[12] Z.-t. Zhou, C.-f. Zhao, C.-y. Lu, G.-g. Le, Numerical studies on four-engine rocket exhaust plume impinging on flame deflectors with afterburning, Defence Technology, 17(4) (2021) 1207-1216.
[13] C. Prasad, E. Yenigelen, P.J. Morris, Effect of Launchpad Modification on the Hydrodynamic and Acoustic Modes of an Impinging Jet, in:  AIAA Scitech 2021 Forum, 2021, pp. 1417.
[14] M. Varé, C. Bogey, Flow and Acoustic Fields of Rocket Jets Impinging on a Perforated Plate, AIAA Journal,  (2022) 1-14.
[15] E. Yenigelen, P.J. Morris, The Use of a Noise Barrier with a Cut-out to Reduce Acoustic Levels During a Rocket Launch, in:  AIAA AVIATION 2021 FORUM, 2021, pp. 2307.
[16] E. Yenigelen, P.J. Morris, Effects of a Noise Reduction Strategy Applied to a Supersonic Jet Impinging on an Inclined Flat Plate, in:  AIAA Scitech 2021 Forum, 2021, pp. 1416.
[17] W. Cui, J. Xu, B.-C. Wang, P. Zhang, Q. Qin, The initial flow structures and oscillations of an underexpanded impinging jet, Aerospace Science and Technology, 115 (2021) 106740.
[18] Y. Mehta, V. Nataraj Bhargav, T. Willms, R. Kumar, Flowfield and Noise Characteristics of Supersonic Rectangular Impinging Jet, in:  AIAA AVIATION 2022 Forum, 2022, pp. 3896.
[19] Z. Mehraban, Boundary element method on Helmholtz equation,PhD Thesis, Shahroud University of Technology, 1393 in Persian.
[20] N. Arezo, P. hamid, G. sajad, t. Abas, Numerical calculation of wind flow around the cylinder and correction of sound intensity with sound intensity, Journal of Madras Mechanical Engineering, 18, No. 3, pages 440-450,  (1397 in Persian).
[21] M. Dehghan, A. Movahedi, A.A. Dehghan, Experimental Investigation of aero acoustic noise generation process from a wall mounted square cylinder at incidence (in Persian), Modares Mechanical Engineering, 17 (2017) 327-338.
نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر
دوره 54، شماره 9
آذر 1401
صفحه 2061-2084

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار