乱流場より発生する流体騒音を低減するための数値計算による基礎研究

2003 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 14750108
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 畠山 望 東北大学, 流体科学研究所, 助手 (50312666)
• Keywords: 流体音 / 空力音 / 乱流 / 数値計算 / 直接数値シミュレーション / DNS / 音響学的類推 / 音響学的アナロジー

Research Abstract

複雑な乱流場より発生する流体音の音響学的類推(アナロジー)による予測可能性を探るため,典型的な流れ場による音の直接数値計算(DNS)の結果を用いて,遠方音場の理論式が定量的な精度を持つか検証した.圧縮性ナヴィエ・ストークス方程式のDNSによって微小な音圧変動を捉えるために,空間微分に六次精度Pade型コンパクト有限差分法,時間発展に四次精度Runge-Kutta法という,非常に精度の高いスキームを用いている.遠方計算境界には,特性線の方法を拡張した無反射境界条件を課している.格子幅を変更した多くの試計算を行っており,十分に信頼できる数値結果が得られている.一様流と物体(円柱,角柱,翼型)の相互作用により発生するエオルス音,および渦構造と翼型の相互作用により発生する音の圧縮性DNSによる解析の結果,以下のことが明らかとなった.低マッハ数でもドップラー効果の影響が顕著に現れるため,Lighthillの音響学的類推に基づいたCurleの一般的な近似式では,予測精度が不十分である.また,比較的遠方まで影響が残る,音波としては伝播しない擬音成分についても同様である.そこで両者を考慮した適切な近似法を提案し,導かれた理論式を用いれば比較的近傍まで非常に良い精度で音場を予測できることを示した.そのほか,翼型周りの流れによる音のDNSでは,レイノルズ数が高くなると翼近傍の渦構造が複雑化し離散高調波が発生してくること,また二つの渦対の相互作用による音のDNSでは,渦配置によってはドップラー効果が無視できなくなることなどが明らかになった.ドップラー効果を考慮した音響学的類推を用いて,乱流による遠方音場を精度良く予測する手掛りが得られたと言える.

Research Products

• [Publications] Nozomu Hatakeyama: "Analyses of aerodynamic sound by DNS"Proceedings of the 9th Asian Congress of Fluid Mechanics. (2002)
• [Publications] Osamu Inoue: "Sound generation by a two-dimensional circular cylinder in a uniform flow"Journal of Fluid Mechanics. 471. 285-314 (2002)
• [Publications] Nozomu Hatakeyama: "Direct Navier-Stokes simulation of acoustic waves radiated by vortex-body interaction"Computational Fluid Dynamics 2002 (Springer-Verlag). 739-744 (2003)
• [Publications] Osamu Inoue: "Control of aeolian tones radiated from a circular cylinder in a uniform flow"Physics of Fluids. 15(6). 1424-1441 (2003)
• [Publications] Ayaka Imamura: "Numerical analysis of sound generation by a two-dimensional cylinder in a uniform flow"Proceedings of the 4th ASME/JSME Joint Fluids Engineering Conference. (2003)
• [Publications] Nozomu Hatakeyama: "A novel application of Curle's acoustic analogy to aeolian tones in two dimensions"Physics of Fluids. 16(5)(印刷中). (2004)