شبيه‌ سازي ائروديناميك و نويز جريان گاز فراصوت تراكم‌ پذير حين خروج از لوله

Aerodynamic and noise simulation of compressible supersonic gas flow exiting from tube

در اين مقاله جريان گاز فراصوت تراكم‌پذير حين خروج از لوله ­اي به قطر 7/62 ميلي‌ متر در هندسه تقارن محوري شبيه‌ سازي شده است. براي اين منظور از روش دانسيته پايه و شبكه تطبيقي ديناميك با معيار فشار استاتيك در شبيه‌ سازي­ ها استفاده شده است. مسئله در دو حالت گاز غير ويسكوز و مدل توربولنسي k-ɛ حل شد. مقايسه نتايج سايه‌ نگاري تجربي شيلرين با كانتورهاي دانسيته و مقايسه نتايج فشار استاتيك روي امواج شوك با داده ­هاي موجود در مقالات، همخواني بسيار خوبي نشان مي‌ دهند. همچنين زمان وقوع شوك اول و دوم و امواج انفجاري و نحوه پيشروي آنها در دامنه شبيه‌ سازي‌ شده بررسي شد. پس از اعتبارسنجي مسئله، نتايج شبيه ­سازي در استخراج داده ­هاي سطح فشار صوتي با استفاده از معادلات فاكس ويليامز و هاوكينگز استفاده شد. براي اين منظور دريافت‌ كننده‌ هاي نويز در پنج فواصل 1، 2، 6، 10 و 15 متري قرار گرفت و مقدار سطح فشار صوتي در اين فواصل به‌ دست آمد و در سه زمان مختلف با هم مقايسه شد. نتايج سطح فشار صوتي حاصل با نتايج تجربي مراجع موجود تطابق خوبي نشان داد. بيشترين سطح فشار صوتي در زمان وقوع امواج شوك انفجاري برابر با 119 دسي­بل به‌ دست آمد. نتايج شبيه‌ سازي نشان داد تأثير تغيير مدل از غير ويسكوز به مدل توربولنسي ɛ k- در مقادير سطح فشار صوتي ناچيز است.

Simulation of supersonic compressible gas flow has been investigated while exiting from 7.62 mm diameter tube in the axis-symmetric geometry. Density-based solver and adaptive dynamic mesh methods were applied based on static pressure gradient. Simulations have been carried out using inviscid and k-ɛ turbulence models. Time of first, second, and main flow shock waves and their progress were also investigated. Existing experimental Schlieren shadowgraphs were compared with density contours of simulations and static pressure results within the shock waves were also compared with the results of literature and good agreements have been achieved. After verification, simulation results have been applied in order to extract sound pressure level values using Ffowcs-Williams and Hawkins (FWH) model. Sound pressure receivers have been located in1, 2,6,10 and 15 m far from the sound source and sound pressure levels have been obtained and compared at the three different times. Results were in good agreement with test data of existing literature. Maximum sound pressure level was obtained in the time of 0.58 millisecond equaling 119 dB. Simulations results showed that changing viscous model from inviscid to k-ɛ turbulence model had an insignificant effect on the noise values.