Los humanos hacen mucho ruido. Los riffs de las bandas de heavy metal como Metallica y Kiss se han disparado a niveles en el rango de 130 decibelios, niveles que seguramente conducirán a daños auditivos.
Pero por más que lo intenten, las bandas simplemente no pueden competir con los rangos de decibelios producidos por los motores a reacción. Estas son, dijo Joe Nichols, una de las fuentes más fuertes de ruido producido por el hombre.
Nichols, profesor asistente de Ingeniería y Mecánica Aeroespacial de la Universidad de Minnesota, está fascinado por el sonido y su capacidad para encontrar el orden en el caos, y al aplicar esa comprensión al desarrollo de nuevas tecnologías que pueden reducir el ruido en los aviones.
Nichols está trabajando con Argonne Leadership Computing Facility ALCF, una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de los EE. UU. DOE dentro del Laboratorio Nacional Argonne del DOE, para crear simulaciones por computadora de alta fidelidad para determinar cómo la turbulencia de chorro produce ruido.Los resultados pueden conducir a nuevos diseños de ingeniería que reducen el ruido en las rutas de vuelo comerciales y en las cubiertas de portaaviones.
"El ruido le dice algo sobre la naturaleza fundamental de la turbulencia, porque el ruido revela un orden que de otro modo estaría oculto en fenómenos caóticos complejos y altamente no lineales", dijo.
Es por eso que el ruido del chorro presenta un problema desafiante y hermoso para Nichols.
domar el rugido del motor
Los motores a reacción producen ruido de diferentes maneras, pero principalmente proviene del flujo de escape de alta velocidad que sale de la boquilla en la parte trasera del motor. Y los aviones son más ruidosos cuando se mueven lentamente, como al despegar o al aterrizar.la corriente de escape se encuentra con el aire relativamente quieto, crea un cizallamiento tremendo que rápidamente se vuelve inestable. La turbulencia producida por esta inestabilidad se convierte en el rugido del motor.
Los ingenieros aeronáuticos incorporan galones, patrones rotos en forma de cáscara de huevo, en diseños de boquillas de escape para cambiar la forma del chorro cuando sale del motor. La idea es reducir el ruido cambiando el patrón de la turbulencia. Pero gran parte del diseñoel trabajo sigue siendo un juego de adivinanzas.
Trabajando con el científico computacional de ALCF Ramesh Balakrishnan y la supercomputadora Mira, Nichols y su equipo de Argonne están aplicando dinámica de fluidos computacional para eliminar algunas de esas conjeturas. Comienzan realizando simulaciones de remolinos grandes de alta fidelidad que capturan con precisión la física de la turbulencia que eshaciendo el ruido.
De esas simulaciones extraen modelos de orden reducido, o más concisos, que explican qué parte de la turbulencia produce realmente el sonido. Además de mejorar la comprensión científica del ruido de chorro, estos modelos de orden reducido también proporcionan un rápido, pero preciso, significa que los ingenieros evaluarán nuevos diseños.
La simulación de geometrías complejas como la turbulencia de chorro requiere el uso de una malla no estructurada, una cuadrícula 3-D no uniforme, para representar la dinámica involucrada. En este caso, una simulación podría tener 500 millones de puntos de cuadrícula. Multiplique eso por cincopara tener en cuenta la presión, la densidad y tres componentes de la velocidad para describir el flujo en cada punto de la cuadrícula. Eso equivale a miles de millones de grados de libertad, o el número de variables que Mira usa para simular el ruido del chorro.
"Pero, ¿qué pasa si dentro de la turbulencia del chorro hay un esqueleto de estructuras de flujo coherentes que podemos describir con solo 50 grados de libertad", sugirió Nichols. "¿Qué aspectos son más importantes para la producción del ruido del chorro? ¿Cómo funcionan las estructuras de flujo?interactuar entre sí? ¿Hasta qué punto el modelo de esqueleto puede representar la simulación de alta fidelidad? "
Este trabajo, publicado el año pasado en la revista Física de fluidos , podría ayudar a los ingenieros a dirigir con mayor precisión el modelado de las geometrías de las boquillas del motor a reacción determinando, por ejemplo, el número ideal y la longitud de los galones.
"Lo que distingue el trabajo de Joe de los otros proyectos de dinámica de fluidos computacional en ALCF es que implica el desarrollo de un método que podría madurar para convertirse en una herramienta de diseño para la aeroacústica", dijo Balakrishnan de ALCF. "Su proyecto aprovecha la computacióndatos con lo que él llama análisis de entrada-salida, que revela los orígenes del ruido de chorro que de otro modo están ocultos en simulaciones directas de avance directo, o incluso experimentos ".
Simulando ondas de aviación
Una de las principales formas de predecir las ondas de inestabilidad que crean sonido dentro de la turbulencia es a través de métodos basados en un tipo de herramienta computacional llamada ecuaciones de estabilidad parabolizadas. Pero si bien son buenos para predecir fuentes de sonido supersónicas, les resulta difícilprediciendo todos los componentes del ruido de chorro subsónico, especialmente en la dirección de la línea lateral, o perpendicular a la corriente de escape.
El equipo de la Universidad de Minnesota desarrolló un nuevo método basado en el análisis de entrada-salida que puede predecir tanto el ruido descendente como el ruido de la línea lateral. Si bien se pensó que el ruido de la línea lateral era aleatorio, los modos de entrada-salida muestran una estructura coherente en elchorro que está conectado al ruido de la línea lateral, de modo que pueda predecirse y controlarse.
Nichols también utiliza una variación en el análisis de entrada-salida para estudiar el ruido producido por el impacto, donde una explosión de chorro se dirige a una superficie plana, como un avión despegando o flotando sobre la cubierta de un portaaviones.
Al igual que los licks de guitarra que rompen decibelios, el impacto produce un bucle de retroalimentación cuando la turbulencia golpea una superficie plana y se acelera hacia afuera. A medida que el ruido retrocede hacia la boquilla de chorro, se activa una nueva turbulencia, creando tonos extremadamente grandes que pueden alcanzar el 170-decibel alcance y hacer daño estructural a la aeronave en cuestión.
El equipo recurrió a Mira para realizar una simulación de alta fidelidad de un chorro de impacto sin ninguna modificación, y luego midió el ruido que producía. En comparación con los experimentos en curso, predijeron esos mismos tonos con mucha precisión. Un modelo de orden reducido delas simulaciones ayudaron a Nichols a predecir con mayor precisión cómo cambiar la configuración del chorro para eliminar los tonos de retroalimentación. Otra simulación del chorro modificado mostró que los tonos habían desaparecido casi por completo.
"Las simulaciones juegan un papel crucial porque nos permiten ver movimientos fluidos resueltos espacio-temporalmente que serían imposibles de medir experimentalmente, especialmente si estás hablando de un escape caliente que se mueve en Mach 1.5", señaló Nichols.
Esta investigación, dice Balakrishnan, todavía es un trabajo en progreso, pero los resultados son alentadores. Si bien aún necesita un poco de refinamiento, promete convertirse en una herramienta de diseño que los fabricantes de motores a reacción pueden usar algún día para ayudar a calmar los cielos.
Por otro lado, para los fabricantes de guitarras eléctricas Fender y Gibson, tal vez no tanto.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio Nacional de Argonne . Original escrito por John Spizzirri. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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