Si alguna vez ha experimentado los sonidos excepcionalmente potentes y reverberantes de un avión durante el despegue, es probable que no se sorprenda de que el ruido producido por los motores a reacción se encuentre entre los ruidos más fuertes generados por humanos.
Comprender el ruido de los chorros es un problema fundamental intrigante de la física de fluidos, que ha cautivado a los investigadores durante más de 60 años. Parte de esta fascinación por el ruido de los chorros se debe al hecho de que las fluctuaciones aparentemente aleatorias asociadas con la turbulencia del flujo producen campos acústicos sorprendentemente ordenados.palabras: Si podemos entender cómo los chorros turbulentos hacen ruido, esto a su vez proporcionará una comprensión fundamentalmente nueva de la turbulencia detrás de ellos.
como informa un grupo de investigadores de la Universidad de Minnesota Física de fluidos , de AIP Publishing, desarrollaron un nuevo enfoque para estudiar la turbulencia en los jets. Su enfoque condujo al descubrimiento de nuevos modos coherentes, partes del fluido que fluyen en patrones predecibles, asociados con la dinámica de los jets de alta velocidad.El hallazgo ayuda a explicar por qué los jets son tan ruidosos y podría sugerir nuevos enfoques para bajar el volumen.
"En la década de 1960, se demostró que partes coherentes de las fluctuaciones turbulentas dentro de los jets están conectadas a paquetes de ondas de inestabilidad, que están vinculados a la radiación de ruido", dijo Joseph W. Nichols, profesor asistente de ingeniería y mecánica aeroespacial de la Universidad.de Minnesota. "Un paquete de ondas es una oscilación que se repite si lo miras en escalas de tiempo y longitud cortas, pero cuando alejas el zoom, puedes ver que varía lentamente a lo largo de una gran distancia".
Esta variación lenta, por ejemplo, puede ser causada por el chorro que se extiende hacia abajo. "El mismo principio básico se aplica a la radio de modulación de amplitud [AM], donde la modulación de una onda portadora de alta frecuencia comunica información sobre patrones de voz de baja frecuencia", explicó." En el ruido de chorro, esta onda portadora es impulsada por inestabilidades de fluidos que se alimentan de la energía contenida dentro del chorro. Sin embargo, en lugar de codificar patrones de voz, la modulación de amplitud de los paquetes de ondas de inestabilidad determina la eficiencia y la dirección espacial en la queel sonido se libera de la turbulencia del chorro. "
En los últimos años, otros investigadores calcularon paquetes de ondas de inestabilidad y descubrieron que predijeron el ruido de chorro máximo para los chorros supersónicos ". Sin embargo, para los chorros subsónicos de alta velocidad, la teoría se rompe, subestimando los niveles de presión sonora en al menos dos órdenes de magnitud", Dijo Nichols." Una opinión predominante que subyace a los códigos actuales de predicción de ruido de chorro estándar de la industria es que la turbulencia a escala fina es responsable de este sonido faltante, y que este fenómeno solo puede modelarse estadísticamente ".
En marcado contraste, Nichols y sus colegas observaron los chorros turbulentos a través de la lente de todo el sistema, en lugar de componentes individuales, un enfoque con raíces en la ingeniería eléctrica y la teoría de control. "Tratamos a los chorros turbulentos de alta velocidad como amplificadores que tomanfluctuaciones turbulentas dentro del jet como entradas y devuelven el sonido en la región lejos del jet como salidas ", dijo Mihailo Jovanovi, profesor asociado de ingeniería eléctrica e informática en la Universidad de Minnesota." Y usamos este marco matemático para identificarmodos que inducen una gran amplificación de entrada-salida y generan ruido fuerte ".
El equipo de investigación interdisciplinario confirmó la existencia de estos nuevos modos utilizando simulaciones de alta fidelidad de chorros de alta velocidad. Los investigadores resolvieron numéricamente las ecuaciones compresibles de Navier-Stokes, que describen el movimiento de fluidos viscosos, subdividiendo un"Cada una de estas piezas pequeñas se comunica con las piezas vecinas para construir una imagen de la amplia gama de escalas de movimiento turbulento", dijo Jinah Jeun, estudiante graduada en ingeniería aeroespacial y mecánica en elUniversidad de Minnesota.
Ejecutar una simulación de este tipo puede requerir cientos de miles de procesadores de computadora, simultáneamente, en algunas de las supercomputadoras más poderosas del mundo, ubicadas en el Laboratorio Nacional Argonne y en los centros de supercomputación del Departamento de Defensa. "Aunque las simulaciones de alta fidelidad consumenmillones de horas de CPU, aplicamos nuestro nuevo análisis para extraer de ellos la información necesaria para construir modelos precisos de orden reducido que puedan ejecutarse en minutos en una computadora portátil útil para el diseño aeroacústico ", dijo Jeun.
En términos de aplicaciones para el trabajo del grupo, la reducción del ruido de los aviones tiene un gran impacto en la salud y seguridad del personal del aeropuerto, así como en las comunidades aledañas a los aeropuertos.
Sus cálculos también permiten comprender los fenómenos físicos que son inaccesibles experimentalmente, por ejemplo, porque ocurren en un entorno extremo que no puede equiparse con sensores ". El análisis de entrada y salida, por ejemplo, puede aplicarse para averiguar cómola turbulencia aguas arriba dentro de la boquilla afecta el flujo aguas abajo ", señaló Jeun.
En general, el ruido es una forma fascinante de encontrar estructuras en flujos que de otro modo serían caóticos debido a su sensibilidad a la coherencia. Como tal, estas técnicas de simulación y análisis se pueden aplicar a "una gama más amplia de problemas, como comprender las inestabilidades en las estelasde turbinas eólicas, investigando las interacciones acústico-llama para el diseño de una combustión más segura y eficiente, y explicando la transición inducida por el impacto en las capas límite hipersónicas ", dijo Nichols.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Instituto Americano de Física . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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