Numerical investigation of aeroacoustic sound generation by wave packets in turbulent jets
Final Report Abstract
Zielsetzung des Projektes war es ein besseres Verständnis für die langskaligen, oftmals als Wellenpakete bezeichneten, kohärenten Strukturen im Nahfeld turbulenter Freistrahlen zu schaffen. Ein solches Verständnis ist von hohem technischen Interesse für die Luftfahrt, da Wellenpakete eine der Hauptursachen für Triebwerkslärm darstellen. Im Verlauf des Projekts hat sich zwar die Wahl der numerischen Methoden, nicht jedoch dessen Zielsetzung geändert. Die aus dem Projekt direkt oder indirekt hervorgegangenen Publikation tragen zu unserem Verständnis von zwei unterschiedlichen Aspekten der Akustik und der Dynamik von kohärenten Strukturen in turbulenten Freistrahlen bei. Der erste Aspekt ist der von tonalen Störungen, welche zwar oft in experimentellen und numerischen Studien im Nahfeld von transsonischen Freistrahlen beobachtet, jedoch nie schlüssig erklärt werden konnten. Mittels eines von speziell entwickelten linearen Stabilitätscodes war es möglich die tonalen Störungen als ein intrinsisches Resonanzphänomen zu identifizieren. Mit den zwei Publikation zur akustischen Resonanz in transsonischen Freistrahlen kann dieses Phänomen als nahezu vollständig verstanden und das Thema daher als abgeschlossen betrachtet werden. Der zweite Aspekt meiner Arbeit war die Extraktion der energiereichsten kohärenten Strukturen aus Grobstruktursimulationen turbulenter Freistrahlen. Dies geschah mittels spektraler Hauptachsenzerlegung. Eine Modellierung dieser Strukturen geschah mit Hilfe der Resolventenanalyse. Die entsprechenden Strömungslöser wurden im Rahmen des Projektes entwickelt. Der Vergleich der Ergebnisse der beiden Methoden ergab ein einheitliches Bild der Dynamik der untersuchten Wellenpakete, sowohl von empirischer wie auch von stabilitätstheoretischer Seite. Zudem vermochte die Studie den Misserfolg gängiger linearer Wellenpaketmodelle für bestimmte Frequenzen und azimutale Wellenzahlen erklären. Das wohl wichtigste Ergebnis dieses hybriden empirisch-stabilitätstheoretischen Ansatzes ist es wohl aber, dass mit ihm die Präsenz und Dominanz von linearen Instabilitätsmechanismen in vollkommen turbulenten Strömungen nachgewiesen werden konnte. Diese Ergebnisse bilden den Grundbaustein für eine nächste Generation von physikalischen Modellen für den turbulenten Freistrahllärm, welche am California Institute of Technology und von anderen Arbeitsgruppen in Stanford und anderswo momentan entwickelt werden. Die grundlegende Idee dieser Modelle ist es die dynamisch relevanten langskaligen kohärenten Strukturen als lineare Instabilitätsmoden zu betrachten, welche durch kontinuierliche Anfachung durch die sie umgebende feinskalige Turbulenz (modelliert als als stochastische Störquelle) aufrechterhalten werden.
Publications
- "Spectral analysis of jet turbulence," 2017, Journal of Fluid Mechanics
O. T. Schmidt, A. Towne, G. Rigas, T. Colonius and G. A. Bres
- "Acoustic resonance in the potential core of subsonic jets," 2017, Journal of Fluid Mechanics, 825, 1113-1152
A. Towne , A. V. G. Cavalieri, P. Jordan, T. Colonius, O. T. Schmidt, V. Jaunet and G. A. Bres
(See online at https://doi.org/10.1017/jfm.2017.346) - "Modal Analysis of Fluid Flows: An Overview," 2017, AIAA Journal Special Issue
K. Taira, S. L. Brunton, S. Dawson, C. W. Rowley, T. Colonius, B. J. McKeon, O. T. Schmidt, S. Gordeyev, V. Theofilis and L. Ukeiley
(See online at https://doi.org/10.2514/1.J056060) - "Wavepackets and trapped acoustic modes in a turbulent jet: coherent structure eduction and global stability," 2017, Journal of Fluid Mechanics, 825, 1153-1181
O. T. Schmidt, A. Towne, T. Colonius, A. V. G. Cavalieri, P. Jordan and G. A. Bres
(See online at https://doi.org/10.1017/jfm.2017.407)
