超音速ジェットスクリーチのタブによる抑制のシミュレーション

航空宇宙技術研究所 24-26 Jun. 1998 東京 日本

National Aerospace Laboratory 24-26 Jun. 1998 Tokyo Japan

推進効率の低下を極力抑えながら超音速ジェットエンジンのジェット騒音を低減することは、次世代の超音速商用輸送機に搭載する低騒音エンジンを開発する上で重要な課題の1つである。スクリーチ騒音は、ジェットマッハ数1.8以下の低い超音速領域で発生する分離周波数成分であり、乱流や衝撃波に関連した騒音成分と重畳して他に卓越した騒音成分となる。上流伝播する音響波のフィードバックが自由せん断層の不安定性を励振し、これにより自由せん断層に沿って集まりながら発生する大規模の可干渉性渦がこの周波数成分を維持すると考えられている。NALでは、改善処理または未処理の種々のノズルを用いて、正確な騒音の測定とジェット構造の光学的観測を継続して行ってきた。この論文では、矩形出口断面を有する収束性ノズルから出る不足膨張ジェットの構造を非定常3次元ナビエ・ストクース数値解析に基づいて検討した。未処理ノズルからのスクリーチングジェットと、一対のタブを有するノズルセットからのスクリーチのないジェットとを、マッハ数1.5において計算した。数値計算で求めたシュリーレン画像は実験で得た画像と良好な一致を示した。可干渉性大規模渦の発生と同時に発生するフラッピング振動の典型的な様相を、縦横比3のノズルの場合に関して数値計算により可視化した。近距離場に発生した圧力変動もまた、矩形および正方形断面のノズルに対応してそれぞれ、フラッピングモードおよびヘリカルモードの基本的特徴を明白に示した。ノズルリップの長辺側にあるタブセットは、周辺空気の流入を促進してジェットを一対の平行ジェットに分割する縦軸方向の渦発生機構として作用することが、計算によって明らかになった。この場合、フラッピング振動はもはや維持されない。その理由は、分割されたジェットにおいて衝撃セルの間隔が減少し、可干渉性渦を組織するに必要な長さに対応しなくなることによるものであろう。しかし、正方形ノズルの場合には、タブは他の複雑な低振幅の擾乱を引き起こし、圧力変動の完全な低減は起こり得ない。

Reduction of jet noise radiated from supersonic propulsion jets at the minimum loss in the thrust efficiency is one of primary requirements in developing a low noise engine which will be mounted on a future supersonic commercial transports. Screech noise is a discrete frequency component arising in a low supersonic range of the jet Mach number typically less than 1.8, and dominates other noise components associated with turbulent mixing and shock waves. The component is thought to be sustained by large scale coherent eddies which is collectively generated along the free shear layer through a modulation of instability of the shear layer by a feedback of upstream propagating sound waves. The authors have conducted series of precise noise measurements and optical observations of the jet structures at the National Aerospace Laboratory using various shapes of untreated and treated nozzles. In the present paper, structures of underexpanding jets issued from convergent nozzles with rectangular exit cross sections are discussed based on an unsteady three dimensional Navies-Stokes analysis. Screeching jets from an untreated nozzles and screech free jets from nozzles set with a tab pair are computed at a Mach number of 1.5. Numerically represented schlieren pictures are found to agree well with the experimental pictures. A typical pattern of flapping oscillation accompanied by a coherent generation of large scale eddies is numerically visualized for a case of the nozzle with the aspect ratio of three. Pressure fluctuations induced in the close field also exhibit basic features of flapping and helical modes respectively for nozzles with rectangular and square cross-sections. It is made clear by the computation that the tabs set in the major sides of the nozzle lip work as longitudinal vortex generators which enhance entrainment of ambient air to divide the jet into a pair of parallel jets. The flapping oscillation is no more sustained, possibly because reduced spacings of shock cells in the divided jets become mismatched with a length scale required for organizing coherent eddies. However, in case of a square cross-section nozzle, the tabs induce another complicated low amplitude disturbance, and the reduction of pressure fluctuation will not be complete.

資料番号: AA0001958052

レポート番号: NAL SP-41