Понимание реактивного шума является интригующей основной проблемой жидкой физики – соблазнительные исследователи больше 60 лет. Часть этого восхищения реактивным шумом происходит от того, что на вид случайные колебания, связанные с турбулентностью потока, производят поразительно заказанные акустические области.
Другими словами: Если мы можем понять, как бурные самолеты шумят, это в свою очередь обеспечит существенно новое понимание турбулентности позади него.Как группа исследователей Миннесотского университета сообщает в Физике Жидкостей от AIP Publishing, они развивали новый подход к учащейся турбулентности в самолетах. Их подход привел к открытию новых последовательных способов – части жидкости, которые текут в предсказуемых образцах – связанный с динамикой высокоскоростных самолетов.
Открытие помогает объяснить, почему самолеты настолько громкие, и могли предложить новые подходы для сбивания объема.«Назад в течение 1960-х, было показано, что последовательные части бурных колебаний в самолетах связаны с нестабильностью wavepackets, которые связаны с шумовой радиацией», сказал Джозеф В. Николс, доцент космической разработки и механики в Миннесотском университете. «wavepacket – колебание, которое повторяется, смотрите ли Вы на него за короткое время и шкалы расстояний, но когда Вы уменьшаете масштаб, Вы видите, что он медленно варьируется по большому расстоянию».Это медленное изменение, например, может быть вызвано самолетом, распространяющимся вниз по течению. «Тот же самый основной принцип относится к радио модуляции амплитуды [AM], куда модуляция высокочастотной несущей сообщает информацию о низкочастотных речевых образцах», объяснил он. «В реактивном шуме эту несущую ведет жидкая нестабильность, которая питается энергией, содержавшей в самолете.
Вместо того, чтобы кодировать речевые образцы, однако, модуляция амплитуды нестабильности wavepackets определяет эффективность и пространственное направление, по которому звук выпущен от реактивной турбулентности».В последние годы другие исследователи вычислили нестабильность wavepackets и нашли, что предсказали пиковый реактивный шум для сверхзвуковых самолетов. «Для высокоскоростных дозвуковых самолетов, однако, теория ломается – недооценивающий уровни звукового давления по крайней мере двумя порядками величины», сказал Николс. «Преобладающее представление, лежащее в основе текущего стандартного для отрасли самолета, который кодирует шумовое предсказание, – то, что турбулентность прекрасного масштаба ответственна за этот недостающий звук, и что это явление может только быть смоделировано статистически».В разительном контрасте Николс и коллеги посмотрели на бурные самолеты через линзу целой системы, а не отдельные компоненты – подход с корнями в теории контроля и электротехнике. «Мы рассматриваем высокоскоростные бурные самолеты как усилители, которые берут бурные колебания в самолете как исходные данные и отдают звук в регионе далеко от самолета как продукция», сказал Михаило Джовэнови? адъюнкт-профессор электротехники и вычислительной техники в Миннесотском университете. «И мы используем эту математическую структуру, чтобы определить способы, которые вызывают большое увеличение ввода – вывода и производят громкий шум».
Междисциплинарная исследовательская группа подтвердила существование этих новых способов, используя высокочастотные моделирования высокоскоростных самолетов. Исследователи численно решили сжимаемое, Navier-топит уравнения – которые описывают движение вязких жидкостей – подразделяя быстродействующий реактивный поток на сотни миллионов маленьких частей. «Каждая из этих маленьких частей общается с соседними частями, чтобы создать картину большого спектра весов бурного движения», сказал Джинах Джеун аспирант в космической разработке и механике в Миннесотском университете.
Управление таким моделированием может потребовать сотен тысяч компьютерных процессоров, одновременно, на некоторых самых мощных суперкомпьютерах в мире – размещенный в Национальной лаборатории Аргонна и в супервычислительных центрах Министерства обороны. «Хотя высокочастотные моделирования потребляют миллионы часов центрального процессора, мы применяем наш новый анализ, чтобы извлечь от них, информация должна была построить точные модели уменьшенного заказа, которыми можно управлять в минутах на ноутбуке, полезном для аэроакустического дизайна», сказал Джеун.С точки зрения заявлений на работу группы, уменьшая реактивный шум оказывает большое влияние на здоровье и безопасность персонала аэропорта, а также на сообществах окружающие аэропорты.Их вычисления также позволяют понимание явлений физики, которые недоступны экспериментально, например потому что они происходят в чрезвычайной окружающей среде, которая не может быть снабжена оборудованием с датчиками. «Анализ ввода – вывода, например, может быть применен, чтобы выяснить, как турбулентность по разведке и добыче нефти и газа в носике затрагивает поток вниз по течению», отметил Джеун.
В целом шум – захватывающий способ найти структуру в в других отношениях хаотических потоках из-за ее чувствительности к последовательности. По сути, они, моделирование и аналитические методы могут быть применены к «более широкому ряду проблем, таких как понимание нестабильности по следам ветряных двигателей, исследование взаимодействий акустического пламени для дизайна более безопасного и более эффективного сгорания и объяснения вызванного шоком перехода в сверхзвуковых пограничных слоях», сказал Николс.