Perturbation solution of air-water mixture for jet noise reduction

Abstract

The attenuation of jet-generated noise through multiphase flows offers a promising passive noise-mitigation strategy. Traditional studies on jet-noise suppression have primarily focused on modifying the structure of the jet plume through direct water/air injection. In contrast, this work quantifies the interaction of acoustic waves with an externally placed air–water curtain surrounding the jet, thereby assessing its ability to attenuate radiated noise without disturbing the jet itself. Two distinct curtain configurations are analyzed: (i) a gaseous medium (air) containing liquid water droplets and (ii) a liquid medium (water) containing air bubbles. For each configuration, two flow regimes are examined: (a) a suspended case, in which both phases exhibit negligible mean velocity, and (b) a dispersed case, in which the ambient velocity induces motion in the phases. The present study extends previous research by incorporating finite particle volume fractions and interphase velocity slip through a generalized perturbation framework derived directly from the volume-averaged multiphase equations. All cases are solved numerically, while an analytical solution is derived for the suspended-particle case. The results show that attenuation increases with particulate volume fraction and that an optimal droplet-to-nozzle diameter ratio exists for achieving maximum noise reduction. Comparisons with previous experimental data and computational fluid dynamics (CFD) simulations confirm that the perturbation approach accurately captures frequency-dependent absorption trends. In the dispersed regime, the analysis reveals that phase slip modifies the attenuation characteristics depending on the configuration. These findings demonstrate the potential of externally placed multiphase curtains as an effective passive method for jet-noise mitigation. The developed framework provides a foundation for optimizing curtain parameters and guides future experimental and computational studies aimed at practical implementation in aeroacoustic applications.

La atenuación del ruido generado por chorros mediante flujos multifásicos ofrece una estrategia pasiva prometedora para la mitigación del ruido. Los estudios tradicionales sobre la supresión del ruido de chorros se han centrado principalmente en modificar la estructura de la pluma del chorro mediante la inyección directa de agua y aire. En contraste, este trabajo cuantifica la interacción de las ondas acústicas con una cortina externa de aire y agua ubicada alrededor del chorro, evaluando así su capacidad para atenuar el ruido radiado sin perturbar el propio chorro. Se analizan dos configuraciones distintas de cortina: (i) un medio gaseoso (aire) que contiene gotas de agua líquida y (ii) un medio líquido (agua) que contiene burbujas de aire. Para cada configuración se examinan dos regímenes de flujo: (a) un caso suspendido, en el que ambas fases presentan una velocidad media despreciable, y (b) un caso disperso, en el que la velocidad del medio circundante induce el movimiento de las fases. El presente estudio amplía investigaciones anteriores mediante la incorporación de fracciones volumétricas finitas de partículas y del deslizamiento de velocidad entre fases, a través de un marco de perturbación generalizado derivado directamente de las ecuaciones multifásicas promediadas en volumen. Todos los casos se resuelven numéricamente, mientras que para el caso de partículas suspendidas se obtiene una solución analítica. Los resultados muestran que la atenuación aumenta con la fracción volumétrica de partículas y que existe una relación óptima entre el diámetro de las gotas y el diámetro de la boquilla para lograr la máxima reducción del ruido. Las comparaciones con datos experimentales previos y simulaciones de dinámica de fluidos computacional (CFD) confirman que el enfoque de perturbación reproduce con precisión las tendencias de absorción dependientes de la frecuencia. En el régimen disperso, el análisis revela que el deslizamiento entre fases modifica las características de atenuación según la configuración. Estos hallazgos demuestran el potencial de las cortinas multifásicas externas como un método pasivo eficaz para la mitigación del ruido de chorros. El marco desarrollado proporciona una base para optimizar los parámetros de la cortina y orienta futuros estudios experimentales y computacionales destinados a su implementación práctica en aplicaciones aeroacústicas.