Об одном методе оценки звукового поля эоловых тонов

Abstract

Исследована проблема генерации эоловых тонов при ламинарном обтекании цилиндра для чисел Рейнольдса Re ≤ 400. В предположении об отсутствии обратного влияния звукового поля на поток развит двухэтапный метод, позволяющий оценить акустические характеристики эоловых тонов. На первом этапе численно решалась гидродинамическая задача в приближении вязкой несжимаемой жидкости. Это позволило определить параметры, при которых возникает режим автоколебаний с периодическим изменением во времени распределения давлений на поверхности цилиндра. На втором этапе найденное распределение давлений использовалось в качестве граничного условия при решении задачи линейной акустики. Полученные гидродинамические и акустические характеристики хорошо согласуются с экспериментальными и теоретическими данными других исследователей. Показано, что известные приближенные оценки силы звука эоловых тонов и амплитуды колебаний подъемной силы на цилиндре в виде степенных зависимостей от скорости набегающего потока неточны, а показатель степени существенно зависит от числа Рейнольдса. Анализ вкладов различных мод эоловых тонов в общий звуковой сигнал показал доминирование первой (дипольной) составляющей. При этом с увеличением Re наблюдается заметный рост следующей (квадрупольной) составляющей.

Досліджено проблему проблему генерації еолових тонів при ламінарному обтіканні циліндра для чисел Рейнольдса Re ≤ 400. У припущенні при відсутність зворотного впливу звукового поля на потік розвинуто двоетапний метод, який дозволяє оцінити акустичні характеристики еолових тонів. На першому етапі чисельно розв'язувалась гідродинамічна задача у наближенні в'язкої нестисливої рідини. Це дозволило визначити параметри, при яких виникає режим автоколивань з періодичною зміною в часі розподілу тисків на поверхні циліндра. На другому етапі знайдений розподіл тисків використовувався як гранична умова при розв'язанні задачі лінійної акустики. Одержані гідродинамічні й акустичні характеристики добре узгоджуються з експериментальними й теоретичними даними інших дослідників. Показано, що відомі наближені оцінки сили звуку еолових тонів й амплітуди коливань підйомної сили на циліндрі у вигляді степеневих залежностей від швидкості набігаючого потоку неточні, а показник степеня істотно залежить від числа Рейнольдса. Аналіз внесків різних мод еолових тонів у загальний звуковий сигнал показав домінування першої (дипольної) складової. При цьому зі збільшенням Re спостерігається помітне зростання наступної (квадрупольної) складової.

The paper deals with studying of the problem on generation of the Aeolian tones at laminar flow past the cylinder for the Reynolds numbers of Re ≤ 400. A two-stage technique for evaluating of acoustical characteristics of the Aeolian tones has been developed in the assumption of absent inverse effect of the sound field on the flow. On the first stage, the hydrodynamical problem was solved in the approach of viscous incompressible fluid. In doing so, the parameters have been determined for the occurrence of self-oscillation regime with time-periodic pressure distribution over the cylinder’s surface. The found pressure distribution has been used on the second stage for a boundary condition when solving the problem of linear acoustics. The obtained hydrodynamic and acoustical characteristics are in good agreement with the experimental and theoretical data from other researchers. The known approximate estimates of the Aeolian tones sound intensity and lift oscillation amplitude in form of power dependences from incident flow velocity are shown to be inaccurate and the power index significantly depends on Re. The analysis of contributions of different modes of the Aeolian tones in overall sound signal demonstrates the predomination of the first (dipole) component. However, notable increase of the next (quadruple) component with Re is observed