عنوان پایان‌نامه
بررسی عددی تولید نویز در جت های پر سرعت
- رشته تحصیلی
- مهندسی مکانیک طراحی کاربردی
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه پردیس 2 فنی شماره ثبت: 1923;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 48368
- تاریخ دفاع
- ۰۸ اسفند ۱۳۸۹
- دانشجو
- رامین کاویانی
- استاد راهنما
- اصغر افشاری
- چکیده
- استفاده از روشهای دقت بالا، متدلوژی روز در بررسی مکانیزم‌های تولید صدا است. این روش‌ها در پیش‌بینی سر‌وصدای ساطع شونده از جت، عمدتاً شامل شبیه‌سازی عددی مستقیم (DNS) و گردابه‌های بزرگ (LES) است. وقتی روشهای دقت بالا در شبیه‌سازی عددی مستقیم یا گردابه‌های بزرگ به کار گرفته شود، توانایی تحلیل اکثریت طول موج‌های دلخواه را دارا خواهد بود. روشهای فشرده (compact) با وضوح طیفی-مانند دارای خاصیت عنوان شده است و جزء طبقه بندی روشهای تفاضل محدود قرار می‌گیرد. دقت این روش‌ها چه در مقیاس بسط تیلور و چه با مقیاس آنایز فوریه به سادگی افزایش می‌یابد. دقتی بالا با مقیاس دوم (آنالیز فوریه) نیازمند کمینه کردن کاهش غیر فیزیکی مقدار موج (dissipation)، حداقل سازی پراکندگی غیر فیزیکی طیف موج (dispersion)، و قابلیت تخمین درست سرعت دسته موج (group velocity) است. هرچند ویژگی‌های برشمرده شده، روشهای فشرده را در آئروآکوستیک محاسباتی (CAA) بسیار رایج گردانیده است، همچنان چندین مورد باید مد نظر قرار گیرد. اولین مشکل استفاده از روشهای تفاضل محدود در هندسه‌های پیچیده است. این مشکل توسط استفاده از فرمولاسیون منحنی‌الخط و استفاده از تکنیک شبکه چند-دامنه (over-set) قابل مرتفع شدن است. بر اساس استراتژی‌های مذکور، یک برنامه چند منظوره در C++ به نام CPPACK توسط نگارنده نوشته شده است. مسئله بعدی در پیش‌بینی مستقیم سر‌و‌صدا (DNP)، میزان بار محاسباتی بسیار بالای وارده به پردازنده، به هنگام مطالعه جریان‌های با سرعت بالا است. با این مسئله نیز، با استفاده از برنامه نویسی به صورت بهینه و با کمک‌گیری از استراتژی پردازش موازی در CPPACK برخورد شده است، که استراتژی دوم بر حسب پلتفرم مورد استفاده، اشکال حافظه توزیع یافته و/یا حافظه مشترک به خود می‌گیرد. مورد بعدی رشد خطاهای عددی غیر‌فیزیکی در روشهای فشرده تفاضل مرکزی با دقت بالا است. این مورد به خصوص در شبیه‌سازی‌های با مرتبه 8 ما به طور شاخص نمایان می‌شود که در نزدیکی مرزها شکل بسیار پیچیده‌ای به خود می‌گیرد. به این دلیل در این پایان‌نامه، یک رهیافت جدید فیلتر کردن ارائه گردیده که بر اساس میدان موج، پیشنهاد و توسعه داده شده است. بدون شک پیچیده ترین مسئله موجود در آئروآکوستیک محاسباتی یافتن شرایط مرزی دقیق و خوش‌رفتار است. در این پایان‌نامه خانواده‌ای از شرایط مرزی سه بعدی، مناسب برای هندسه‌های پیچیده و برای سطح مشترک جامد-سیال توسعه یافته است. این شرایط مرزی، با نام شرایط مرزی مشخصه سه بعدی نویر-استوکس، و بر اساس تحلیل بردار ویژه - مقدار ویژه معادلات بقا در میدان‌های سیال و آکوستیک فرموله گردیده است. روشهای توسعه داده شده، با بهره‌گیری از برنامه نویسی شیء‌گرا به صورت واحدهای مختلف CPPACK پیاده‌سازی شده است. همچنین تمامی این روش‌ها در چندین مسئله محک، مورد سنجش و راست‌آزمایی قرار گرفته است. این مسائل شامل یک گردابه جابجا شونده دو بعدی، یک لایه اختلاطی صفحه‌ای، و یک توربولانس آیزوترپیک میرنده (decaying) سه بعدی می‌باشد. با استفاده از CPPACK و امکانات سخت‌افزاری در دسترس، چندین پیکربندی سیال نزدیک به واقعیت، مورد تحلیل قرار گرفته است. یک جت صفحه‌ای با ماخ 3/0 و عدد رینولدز 3000 و یک جت دایره‌ای با ماخ 75/0 و رینولدز 50000 شبیه‌سازی شده است و نتایج حاصل با کارهای قبلی با دقت پایین‌تر مورد مقایسه قرار گرفته است. در نهایت یک سیستم نازل/جت با ماخ 51/0 و رینولدز 20000 شبیه‌سازی شده و نویز پیش‌بینی شده در آن با نتایج آزمایشگاهی مقایسه گردیده است.
- Abstract
- Using high fidelity numerical schemes is the current state of the art computational method, in the investigation of noise generation mechanisms. They mainly include direct numerical simulation (DNS) and more computationally desirable, large-eddy simulation (LES). When high-order schemes are utilized in DNS and LES, they can better resolve the most wave-lengths of interest in the acoustic field. This is the property owned by the compact schemes with spectral-like resolution from finite difference family of spatial schemes, making them appealing. In addition, their accuracies in the realm of Taylor series expansion and Fourier analysis can be readily improved. The latter includes minimum dissipation, minimum dispersion, and the capability of estimating the correct group velocity of the waves. Even if these arguments make the use of compact schemes a common approach in computational aeroacoustics (CAA), there are still some drawbacks. A rather old bottleneck is in the cases of complex geometries. This issue is dealt with using a combination of over-set grid technique and curvilinear grid formulation. Based on both of these strategies, a multi-purpose program is developed by the author in C++ and named CPPACK which stands for computational physics package. Next difficulty in direct noise prediction (DNP) arises due to the high level of computational cost encountered in modelling high speed flows. This difficulty is also ameliorated using a highly optimized style of programming and utilizing parallel processing strategies in CPPACK. The latter includes distributed and/or shared memory operations depending on the architecture of the platform. Another problem is the growth of non-physical numerical noises because of non-dissipative nature of high-order central compact schemes. This is the problem which is encountered to a wider extent in this work, because of the 8th-order accuracy of the spatial derivatives. The situation is more critical near boundaries where the usual one-sided long-stencil coefficients, needed for retaining the overall accuracy, show unstable, dispersive, and anti-dissipative behaviour upon small scale noise-like waves. In this thesis, a novel stable filtering approach is proposed and developed based on the wave domain to address this matter more appropriately. The most challenging issue in CAA is undoubtedly finding accurate and well-posed boundary conditions. In this work, a family of three-dimensional boundary conditions is developed which is suitable for complex geometries and flow solid interfaces. These boundary conditions are called three-dimensional Navier-Stokes characteristics boundary condition and are based on characteristic analysis of governing equations in the flow and acoustic fields. All the developed schemes are implemented as different program routines of CPPACK, via object-oriented programming. They are also validated in several test cases including a two-dimensional (2D) convecting inviscid vortex, a 2D spatially developing mixing layer, and a three-dimensional isotropic decaying turbulence. Taking the advantage of our computational facility, CPPACK, and available hardware resources several realistic flow configurations are studied in this thesis. A Mach 0.3, Reynolds 3000 planar jet and a Mach 0.75, Reynolds 50000 round jet are simulated and compared with earlier works of lower-order accuracy. Finally, a Mach 0.51, Reynolds 20000 nozzle/jet is simulated and its generated noise is predicted.
