A technique of mixing enhancement in an underexpanded sonic round jet is studied with fully expanded jet Mach number 1.5. Tonal sound, jet screech can be produced at some underexpansion pressure ratio in a sonic jet. Since the jet screech excites the initial Jet shear layer to change the flow, a reflector which focuses the jet screech near the nozzle lip is designed. The reflector has an elliptic shape of which two foci are located near the nozzle lip and the jet screech source region. Jet screech tone near the nozzle lip increases with the elliptic reflector and spreading of the jet largely increases. It is concluded that mixing enhancement of the jet with the elliptic reflector is attributed to large scale structures which are initially excited by the increased jet screech.
A technique of mixing enhancement by using an elliptic jet screech reflector has been examined experimentally in an underexpanded sonic round jet where jet screech tone is generated. Since jet screech is known to enhance jet spreading, a reflector was designed to focus jet screech waves near the nozzle lip at an underexpanded jet. The reflector has an elliptic cross section of which one focus is located near the nozzle lip and the other in the jet screech source region in a plane including the jet axis. In the jet with the elliptic reflector, the mass flow rate showed a significant increase in the jet entrainment when compared to that for the small disk reflector. This was attributed to the increased screech amplitude near the nozzle lip as well as the mode change of the jet. The jet mixing was also increased by the amplified jet screech at two other underexpanded jets, but the jet oscillation mode did not change.
It is well known that screech tones of supersonic jet are generated by a feedback loop driven by the instability waves. Near the nozzle lip where the supersonic jet mixing layer is receptive to external excitation, acoustic disturbances impinging on this area excite the instability waves. This fact implies that the nozzle lip thickness can influence the screech tones of supersonic jet. The objective of the present study is to experimentally investigate the effect of nozzle-lip thickness on screech tones of supersonic jets issuing from a convergent-divergent nozzle. A baffle plate was installed at the nozzle exit to change the nozzle-lip thickness. Detailed acoustic measurement and flow visualization were made to specify the screech tones. The results obtained obviously show that nozzle-lip thickness significantly affects the screech tones of supersonic jet, strongly depending on whether the jet at the nozzle exit is over-expanded or under-expanded.
An axisymmetric supersonic screeching jet is numerically simulated to examine the length scales of screech frequency as well as screech tone generation mechanism. The axisymmetric Reynolds-averaged Navier-Stokes equations in conjuction with a modified Spalart-Allmaras turbulence model are employed. It is demonstrated that the axisymmetric jet screech tones can be simulated correctly and the numerical results are in good agreement with the experimental data. Instability waves, shock-cell structures and the phenomena of shock motion are investigated in detail to identify the screech tone generation mechanism. Shock spacings and standing wave length are analyzed to determine the dominent length scale crucial to the screech frequency formulation.
The screech tone of an underexpanded jet is numerically calculated without any specific modeling for the screech tone itself. A fourth-order optimized compact scheme and fourth-order Runge-Kutta method are used to solve the 2D axisymmetric Euler equation. The Fourier transform of pressure signal at upstream shows the directivity pattern of the screech tone very clearly. Pressure signal is shown to observe the generation of the screech tone. Most importantly, we can simulate the axisymmetric mode change of the screech tone very precisely with the proposed method. It can be concluded that the basic phenomenon of the screech tone including its frequency can be calculated and its mode change can be simulated with inviscid Euler equations.
The effects of nozzle-lip thickness on the relationship between screech tone and broadband shock-associated noise were experimentally investigated using a convergent-divergent nozzle with a design Mach number of 2.0. Overall sound pressure levels (OASPL) and noise spectra were obtained at far-field locations. Schlieren optical system was used to visualize the flow-fields of supersonic jets. A baffle plate was installed at the exit of the nozzle and its size was varied to obtain different nozzle-lip thicknesses. Experiment was carried out over a wide range of nozzle pressure ratios from 2.0 and 18.0, which corresponds to over- and under-expanded conditions. The results obtained clearly show that the screech tones are influenced by the nozzle-lip thickness. It is found that the screech tone and its peak amplitude are strongly dependent on whether the jet is over-expanded and under-expanded at the nozzle exit.
The screech tone of underexpanded jet is numerically calculated without any specific modeling for the screech tone itself. Fourth-order optimized compact scheme and fourth-order Runge-Kutta method are used to solve the 2D axisymmetric Euler equation. Adaptive nonlinear artificial dissipation model and generalized characteristic boundary condition are also used. The screech tone, generated by a closed loop between instability waves and quasi-periodic shock cells at the near field, is reasonably analyzed with present numerical methods for the underexpanded jet having Mach number 1.13. First of all, the centerline mean pressure distribution is calculated and compared with experimental and other numerical results. The instantaneous density contour plot shows Mach waves due to mixing layer convecting supersonically, which propagate downstream. The pressure signal and its Fourier transform at upstream and downstream shows the directivity pattern of screech tone very clearly. Most of all, we can simulate the axisymmetric mode change of screech tone very precisely with present method. It can be concluded that the basic phenomenon of screech tone including the frequency can be calculated by using high-order and high-resolution schemes without any specific numerical modeling for screech tone feedback loop.
Supersonic jet issuing from a nozzle invariably cause high-frequency noises. These consist of three principal components ; the turbulent mixing noise, the broadband shock-associated noise, and the screech tone. In present study, it was experimentally investigated to the effect of nozzle lip thickness on the characteristics of supersonic jet noise. The convergent-divergent nozzle of a design Mach number 2.0 was used in experiment. With three different nozzle-lip thicknesses, the jet pressure ratio was varied in the range between 2.0 and 12.0. Acoustic measurements were conducted by microphones in an anechoic room, and the major structures of the supersonic jets were visualized by a Schlieren optical system to investigate the effect of nozzle lip thickness. The measured results show that the characteristics of supersonic jet noise, such as overall sound pressure level (OASPL) and screech frequency, strongly depend upon the thickness of nozzle-lip.
초음속 제트 마하수 1.07부터 1.2 범위에서 축대칭 제트 스크리치 톤을 해석하였다. 축대칭 모드는 낮은 마하수 축대칭 제트의 지배적인 스크리치 톤 모드이다. 난류 해석을 위해 수정된 Spalart-Allmaras 모델을 RANS (Reynolds-averaged Navier-Stokes) 방정식에 사용하였다. 스크리치 톤 해석에서 중요한 음파의 전파, shock-cell 구조 및 거대한 불안정 파를 정확히 계산하기 위해 비반사 특성 경계조건과 연계한 고차정확도의 ENO 기법을 사용하였다. 수치 해석결과는 다른 연구자들의 실험 및 계산 결과와 잘 일치하였으며, 따라서 본 연구에 사용된 수치 기법들이 초음속 제트 유동 및 소음연구에 타당함을 확인하였다.
초음속 제트 마하수 1.07부터 1.2 범위에서 축대칭 제트 스크리치 톤을 해석하였다. 축대칭 모드는 낮은 마하수 축대칭 제트의 지배적인 스크리치 톤 모드이다. 난류 해석을 위해 수정된 Spalart-Allmaras 모델을 RANS (Reynolds-averaged Navier-Stokes) 방정식에 사용하였다. 스크리치 톤 해석에서 중요한 음파의 전파, shock-cell 구조, shock-cell의 비정상 거동 및 거대한 불안정 파를 정확히 계산하기 위해 비반사 특성 경계조건과 연계한 고차정확도의 ENO 기법을 사용하였다. 수치해석결과는 다른 연구자들의 실험 결과와 잘 일치하였으며, 따라서 본 연구에 사용된 수치 기법들이 초음속 제트 유동 구조 및 소음연구에 유용함을 확인하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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