The Effect of the Step Height on the Wall Pressure Fluctuations near Its Side Edge in the Turbulent Boundary Layer

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Wall pressure fluctuations in a turbulent flow are a source of noise and vibrations in elastic structures immersed in a flow. This paper presents the results of an experimental study on the effect produced by the height of a step on the spatiotemporal structure of wall pressure fluctuations in the vicinity of its side edge in the turbulent boundary layer. Measurements were performed in a subsonic low-noise wind tunnel of the Moscow Complex of the Zhukovsky Central Aerohydrodynamic Institute. The height of a step was varied from 3 to 17% of the incident-boundary-layer thickness. It has been shown that the area of the most intensive pressure fluctuations is located near the frontal side corner of the step. The characteristic Strouhal number determining the spectra of pressure fluctuations behind the leading edge of the step was established. An essential effect of the step height on the spatiotemporal structure of the pressure field in the vicinity of the side edge was shown. The obtained results evidence the existence of a strong correlation with the field of pressure fluctuations in the incident turbulent boundary layer in the case of steps with a small height.

About the authors

S. V. Kuznetsov

Zhukovsky Central Aerohydrodynamic Institute, 105005, Moscow, Russia

Email: international44@yandex.ru
Россия, 105005, Москва, ул. Радио 17

A. Yu. Golubev

Zhukovsky Central Aerohydrodynamic Institute, 105005, Moscow, Russia

Author for correspondence.
Email: international44@yandex.ru
Россия, 105005, Москва, ул. Радио 17

References

  1. Ефимцов Б.М. Характеристики поля пристеночных пульсаций давления при больших числах Рейнольдса // Акуст. журн. 1982. Т. 28. № 4. С. 491–497.
  2. Ефимцов Б.М. Критерии подобия спектров пристеночных пульсаций давления турбулентного пограничного слоя // Акуст. журн. 1984. Т. 30. № 1. С. 58–61.
  3. Смольяков А.В., Ткаченко В.М. Модели поля псевдозвуковых турбулентных пристеночных давлений и опытные данные // Акуст. журн. 1991. Т. 36. № 6. С. 1199–1207.
  4. Howe M.S. Surface pressures and sound produced by turbulent flow over smooth and rough walls // J. Acoust. Soc. Am. 1991. V. 95. P. 1041–1047.
  5. Зверев А.Я., Ефимцов Б.М. Сравнительная оценка акустического излучения тонкостенных конструкций, возбуждаемых турбулентным пограничным слоем, для различных представлений взаимного спектра // Акуст. журн. 2012. Т. 58. № 4. С. 459–464.
  6. Haxter S., Spehr C. Comparison of model predictions for coherence length to in-flight measurements at cruise conditions // J. Sound Vib. 2017. V. 390. P. 86–117.
  7. Blake W.K. Mechanics of Flow-Induced Sound and Vibration. V. 2. Complex Flow-Structure Interactions. Second Edition. Academic Press, 2017. Elsevier Inc. 670 p.
  8. Голубев А.Ю., Кудашев Е.Б., Яблоник Л.Р. Турбулентные пульсации давления в акустике и аэрогидродинамике. М.: Физматлит, 2019.
  9. Кудашев Е.Б., Яблоник Л.Р. Развитие экспериментальных исследований турбулентных пристеночных пульсаций давления. Критический анализ и обобщение накопленных опытных данных // Акуст. журн. 2021. Т. 67. № 6. С. 639–649.
  10. Flinovia: Flow Induced Noise and Vibration Issues and Aspects-III / Eds. Ciappi E., De Rosa S., Franco F., Hambric S.A., Leung R.C.K., Clair V., Maxit L., Totaro N. Springer: Nature, 2021. https://doi.org/10.1007/978-3-030-64807-7
  11. Awasthi M., Devenport W.J., Glegg S.A.L., Forest J.B. Pressure fluctuations produced by forward steps immersed in a turbulent boundary layer // J. Fluid Mech. 2014. V. 756. P. 384–421.
  12. Farabee T.M., Casarella M.J. Measurements of fluctuating wall pressure for separated/reattached boundary layer flows // ASME J. Vib. Acoust. Stress Reliab. Des. 1986. V. 108. P. 301–307.
  13. Efimtsov B.M., Kozlov N.M., Kravchenko S.V., Andersson A.O. Wall Pressure Fluctuation Spectra at Small Forward-Facing Steps // AIAA Paper. 1999. 99–1964.
  14. Efimtsov B.M., Kozlov N.M., Kravchenko S.V., Andersson A.O. Wall Pressure Fluctuation Spectra at Small Backward-Facing Steps // AIAA Paper. 2000. 2000–2053.
  15. Lee I., Sung H.J. Multiple-arrayed pressure measurement for investigation of the unsteady flow structure of a reattaching shear layer // J. Fluid Mech. 2002. V. 463. P. 377–402.
  16. Largeau J.F., Moriniere V. Wall pressure fluctuations and topology in separated flows over a forward-facing step // Exp. Fluids. 2007. V. 42. P. 21–40.
  17. Camussi R., Felli M., Pereira F., Aloisio G., Di Marco A. Statistical properties of wall pressure fluctuations over a forward-facing step // Phys. Fluids. 2008. V. 20. № 7. P. 75113.
  18. Ji M., Wang M. Surface pressure fluctuations on steps immersed in turbulent boundary layers // J. Fluid Mech. 2012 V. 712. P. 471–504.
  19. Бибко В.Н., Голубев А.Ю. Основные закономерности влияния скоса потока на характеристики полей пульсаций давления перед прямым и за обратным уступом // Акуст. журн. 2014. Т. 60. № 5. С. 483–491.
  20. Голубев А.Ю., Кузнецов С.В. Особенности полей пульсаций давления на поверхности выступов // Известия РАН. МЖГ. 2018. № 6. С. 67–75.
  21. Awasthi M., Devenport W.J., Alexander W.N., Glegg S.A.L. Aeroacoustics of rounded forward-facing steps: near-field behavior // AIAA Journ. 2019. V. 57. № 3. P. 1237–1249.
  22. Golubev A., Kuznetsov S. Wall pressure fluctuations on the surface of sloped forward-facing steps // AIAA Journ. 2020. V. 58. № 10. P. 4595–4599.
  23. Leclercq D.J.J., Jacob M.C., Louisot A., Talotte C. Forward-Backward Facing Step Pair: Aerodynamic Flow, Wall Pressure and Acoustic Caracterisation // AIAA Paper. 2001. 2001-2249.
  24. Голубев А.Ю., Ефимцов Б.М. Особенности структуры полей пульсаций давления в окрестности выступов // Известия РАН. МЖГ. 2015. № 1. С. 55–66.
  25. Голубев А.Ю., Ефимцов Б.М. Взаимная корреляция полей пристенных пульсаций давления перед конфигурацией “прямой уступ–обратный уступ” и в следе за ней // Ученые записки ЦАГИ. 2015. Т. 46. № 1. С. 30–41.
  26. Голубев А.Ю. Особенности полей пульсаций давления в окрестности конфигурации “прямой уступ–обратный уступ” // Акуст. журн. 2018. Т. 64. № 1. С. 56–62.
  27. Pearson D.S., Goulart P.J., Ganapathisubramani B. Turbulent separation upstream of a forward-facing step // J. Fluid Mech. 2013. V. 724. P. 284–304.
  28. Graziani A., Kerherve F., Martinuzzi R.J., Keirsbulck L. Dynamics of the recirculating areas of a forward-facing step // Exp. Fluids. 2018. V. 59. № 154. P. 1–18.
  29. Fang V., Tachie M.F. Spatio-temporal dynamics of flow separation induced by a forward-facing step submerged in a thick turbulent boundary layer // J. Fluid Mech. 2020 V. 892. A40-1-30.
  30. Chandrsuda C., Bradshaw P. Turbulence structure of a reattaching mixing layer // J. Fluid Mech. 1981. V. 110. P. 171–194.
  31. Simpson R.L., Ghodbane M., McGrath B.E. Surface pressure fluctuations in a separating turbulent boundary layer // J. Fluid Mech. 1987. V. 177. P. 167–186.
  32. Kiya M., Sasaki K. Structure of a turbulent separation bubble // J. Fluid Mech. 1983. V. 137. P. 83–113.
  33. Haxter S., Brouwer J., Sesterhenn J., Spehr C. Obtaining phase velocity of turbulent boundary layer pressure fluctuations at high subsonic Mach number from wind tunnel data affected by strong background noise // J. Sound Vib. 2017. V. 402. P. 85–103.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2.

Download (62KB)
Indexing metadata
3.

Download (229KB)
Indexing metadata
4.

Download (240KB)
Indexing metadata
5.

Download (267KB)
Indexing metadata
6.

Download (262KB)
Indexing metadata
7.

Download (238KB)
Indexing metadata
8.

Download (232KB)
Indexing metadata
9.

Download (224KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2022 С.В. Кузнецов, А.Ю. Голубев

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».