Numerical analysis on noise suppression and diffusion enhancement of supersonic jet by helical mode pair

• Project/Area Number: 15K05787
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Research Field: Fluid engineering
• Research Institution: University of Toyama
• Principal Investigator: Watanabe Daisuke 富山大学, 大学院理工学研究部(工学), 講師 (70363033)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2019-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥4,940,000 (Direct Cost: ¥3,800,000、Indirect Cost: ¥1,140,000); Fiscal Year 2017: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000); Fiscal Year 2016: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000); Fiscal Year 2015: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000)
• Keywords: マッハ波 / 超音速ジェット / DNS / 線形安定性解析 / 騒音抑制 / ヘリカルモード

Outline of Final Research Achievements

Spatial DNSs of a supersonic round jet for Mj = 2.0 have been performed. 　Introduced upstream disturbances play an important role for the evolution of jet velocity and sound field. The numerical results show that the jet potential core region is reduced in the jet forced by a pair of 3rd helical modes. The growth of the additional helical mode pairs leads to a sooner expansion of the shear layer and then interrupts or reduces the growth of unstable modes with a supersonic phase velocity responsible for the intense Mach wave formation. Therefore, it is concluded that the intense Mach wave radiation observed in the randomly forced jet can be reduced by forcing with a pair of 3rd helical modes with a subsonic phase velocity.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究の特色は、高い移流マッハ数の超音速円形ジェットに対し、速度分布の持つ不安定波の特性を利用した、ノズル部における能動的な騒音低減手法の可能性を理論的・数値的に探ることである。この不安定波による抑制手法が効果的であれば、ノズル部に与える不安定波の振幅は微小でよいことから、ノズル部に設置するアクチュエータも小型化が可能と考えられる。そのため従来の手法に比べ、推力低下を招かない、広範なマッハ数に対応した、高性能騒音抑制ノズルの開発に貢献できると予想する。さらに、ジェットの拡散（中心速度の低下）が促進できれば、空港での離発着時間短縮の妨げとなる残留ジェット気流の抑制にも貢献できる可能性がある。

Research Products

• [Journal Article] 超音速ジェットにおけるヘリカルモードペアを用いたマッハ波抑制のせん断層厚さの影響 (2019)
  • Author(s): 渡辺 大輔、石崎 匡則
  • Journal Title: 宇宙航空研究開発機構特別資料 Volume: JAXA-SP-18-005 Pages: 147-151
  • NAID: 120006827196
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 低い位相速度を持つヘリカルモードペアを用いた超音速ジェットのマッハ波抑制 (2018)
  • Author(s): 渡辺大輔、前川 博
  • Organizer: 日本機械学会 第96期 流体工学部門 講演会
• [Presentation] 同軸噴流の拡散促進に対するヘリカルモードの影響 (2018)
  • Author(s): 大和 優太、渡辺 大輔
  • Organizer: 日本機械学会北陸信越支部 第55期総会・講演会
• [Presentation] 超音速ジェットにおける非対称なヘリカルモード組合せの遷移構造への影響 (2017)
  • Author(s): 渡辺 大輔、広上 渓介、前川 博
  • Organizer: 日本機械学会 2017年度年次大会
• [Presentation] 超音速円形ジェットの安定性に及ぼす速度分布の影響 (2017)
  • Author(s): 渡辺 大輔、前川 博
  • Organizer: 東京理科大学 葛飾キャンパス
• [Presentation] 超音速co-flowジェットの遷移に対する流入撹乱の影響 (2017)
  • Author(s): 大和 優太、渡辺 大輔
  • Organizer: 第31回数値流体力学シンポジウム
• [Presentation] 超音速円形ジェットにおける流入撹乱の影響 (2017)
  • Author(s): 渡辺大輔，前川博
  • Organizer: 日本機械学会 北陸信越支部 第54期総会・講演会
  • Place of Presentation: 金沢大学 工学部
• [Presentation] 第三ヘリカルモードペアによりマッハ波が抑制された超音速ジェットの音波放射特性 (2016)
  • Author(s): 渡辺大輔，前川博
  • Organizer: 日本機械学会 第93期 流体工学部門 講演会
  • Place of Presentation: 山口大学 工学部
  • Year and Date: 2016-11-12
• [Presentation] 超音速ジェットにおけるヘリカルモードペアの非線形発達 (2016)
  • Author(s): 渡辺大輔，前川博
  • Organizer: 日本流体力学会 年会2016
  • Place of Presentation: 名古屋工業大学
  • Year and Date: 2016-09-26
• [Presentation] 超音速ジェットから放射される音響場に対する流入撹乱スケールの影響 (2016)
  • Author(s): 渡辺大輔，前川博
  • Organizer: 日本機械学会2016年度年次大会
  • Place of Presentation: 九州大学 工学部
  • Year and Date: 2016-09-11
• [Presentation] 第三ヘリカルモードペアを用いた超音速ジェットの マッハ波抑制 (2016)
  • Author(s): 渡辺大輔，前川博
  • Organizer: 第48回流体力学講演会/第34回航空宇宙数値シミュレーション技術シンポジウム
  • Place of Presentation: 金沢歌劇座
  • Year and Date: 2016-07-07
• [Presentation] 超音速ジェットにおけるヘリカルモードペアの成長に対するレイノルズ数の影響 (2015)
  • Author(s): 渡辺 大輔、前川 博
  • Organizer: 日本機械学会 第93期 流体工学部門 講演会
  • Place of Presentation: 東京理科大学 葛飾キャンパス
  • Year and Date: 2015-11-07
• [Presentation] 超音速ジェットにおける組み合わされたヘリカルモードの遷移構造に及ぼす影響 (2015)
  • Author(s): 渡辺 大輔、前川 博
  • Organizer: 日本機械学会2015年度年次大会
  • Place of Presentation: 北海道大学 工学部
  • Year and Date: 2015-09-13
• [Presentation] Transitional structures and sound emission in a supersonic round jet forced by a pair of helical modes (2015)
  • Author(s): Daisuke Watanabe, Hiroshi Maekawa
  • Organizer: Ninth International Symposium On Turbulence and Shear Flow Phenomena (TSFP-9)
  • Place of Presentation: The University of Melbourne, Australia
  • Year and Date: 2015-06-29
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Nonlinear Development of a Pair of Helical Modes in a Supersonic Round Jet (2015)
  • Author(s): Daisuke Watanabe, Hiroshi Maekawa
  • Organizer: International Conference on Jets, Wakes and Separated Flows 2015 (ICJWSF2015)
  • Place of Presentation: KTH Royal Institute of Technology, Stockholm
  • Year and Date: 2015-06-15
  • Int'l Joint Research