Расчет шума сложных струй на основе “первых принципов”

Представлено краткое описание вычислительной системы, разрабатываемой авторами в течение последних 5 лет с целью создания свободного от эмпиризма (основанного на “первых принципах”) инструмента для расчета шума выхлопных струй авиационных двигателей, обеспечивающего требуемую для практики точность 2–3 дБ в возможно более широком диапазоне частот. В рамках этой системы расчет аэродинамических характеристик струй и параметров турбулентности базируется на методе моделирования крупных вихрей (LES) в сочетании с неявной конечно-объемной схемой повышенного порядка аппроксимации, реализованной на структурных многоблочных сетках в произвольных криволинейных координатах. Для расчета шума в дальнем поле используется интегральный метод Фокса Уильямса–Хокингса (FWH). Благодаря ряду оригинальных приемов, использованных при реализации как аэродинамической, так и аэроакустической частей системы, она позволяет на относительно грубых сетках (2–5 миллиона узлов) получать результаты, существенно превосходящие по точности результаты расчетов других авторов, выполненных на сетках с десятками миллионов узлов. Возможности разработанной системы продемонстрированы на примерах расчета аэродинамики и шума простых круглых струй в широком диапазоне чисел Маха (от 0.4 до 2) и температурного фактора (до ${\sim}3$). Наряду с этим, приведены примеры ее применения для расчета шума ряда более сложных струй, постепенно приближающихся к реальным выхлопным струям современных двигателей. В частности, рассмотрены недорасширенные звуковые струи с интенсивными скачками уплотнения, струи из двухконтурных сопел со смещенными срезами и, наконец, выхлопная система, состоящая из двухконтурного сопла с центральным телом. Точность предсказания шума во всех рассмотренных случаях близка к “целевой” точности 2–3 дБ как по интегральной диаграмме направленности, так и по спектральным характеристикам. При этом, в зависимости от размеров сетки и параметров струи, диапазон разрешаемых частот отвечает максимальным числам Струхаля от 2 до 5.