Влияние формы кромки сопла на акустическую чувствительность струй тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

1. Введение. Обзор литературы.

2. Техника и методика эксперимента.

2.1 Малотурбулентная аэродинамическая труба МАТ-2.

2.2 Системы измерений.

2.3 Описание форм кромок.

2.4 Турбулизация течения в пограничном слое трубы и определение точки перехода к турбулентности.

3. Влияние акустики на основные характеристики струи.

3.1 Воздействие акустики на струю при ламинарном режиме течения в пограничном слое сопла.

3.2 Влияние режима течения в пограничном слое трубы на чувствительность струи к внешним акустическим колебаниям.

4. Влияние формы кромки на акустическую чувствительность струи.

В различных технических устройствах необходимо знание характеристик потока на начальном участке струи. Построение модели течения на начальном участке струи требует знания различных факторов, влияющих на течение в данном случае. Одним из таких факторов являются акустические колебания, источником которых может быть как сам поток, так и внешние источники. Непонимание процессов и исключение акустических эффектов из модели течения может приводить к серьёзным погрешностям в расчётах.

Влияние акустики на струйные течения и пламена было отмечено более ста лет назад. Согласно Рэлею [1], к самым ранним наблюдениям таких эффектов можно отнести наблюдения Леконта [2], который заметил прыжки пламени горелки в ответ на определённые ноты виолончели.

Впервые эти явления были собраны и систематизированы в "Теории звука" Релея, включившей в себя как фундаментальные труды исследователей того времени, так и труды самого Рэлея. В "Теории звука" описаны основные качественные особенности явления чувствительности дозвуковых струй и пламя к акустическому возбуждению:

Следуя Тиндалю, происхождение чувствительности следует, несомненно, искать в неустойчивости, сопровождающей вихревое движение".

Тиндаль показал, что чувствительным местом является основание пламени. Звук подводимый по трубке, не эффективен, если он подаётся к пламени несколько выше, а также, если он подходит к горелке ниже места, откуда выходит пламя."

Тиндалю мы также обязаны доказательством того, что эти явления не зависят от физико-химического состава газа или пламени.

Такие же по существу явления получаются в случае, когда струя газа - углекислоты, водорода, или даже воздуха - вытекает из отверстия под соответствующим давлением".

Поведение чувствительной струи не зависит от частиц дыма, роль которых состоит только в том, чтобы сделать эффекты более легко видимыми".

Также Рэлей провёл ряд опытов, передвигая горелку вдоль стоячих звуковых волн, получаемых от резонаторов, и обнаружил, что эти эффекты возникают только от пульсаций скорости и не зависят от пульсаций давления.

На основании аналогии с капиллярными струями, - аналогии, которая распространялась многими писавшими по этому вопросу, -пламя должно было бы возбуждаться, когда отверстие находится в узле, где давление изменяется сильнее всего, и оставаться индифферентным в пучности, где давление вовсе не изменяется. Нетрудно было экспериментально показать, что фактически происходит как раз обратное".

В литературе неоднократно отмечалось влияние акустики на пограничный слой и струйные течения [3 - 12]. Это связано с тем, что в последнее время идёт активный поиск методов активного и пассивного управления характеристиками аэродинамических струйных течений.

В [3] высказано предположение, что поскольку турбулентный пограничный слой и, в частности, турбулентные струйные течения являются генераторами шума, то есть основания полагать, что путём акустического воздействия можно несколько изменить аэродинамические параметры такого рода течений. В работе говорится, что согласно теории Лайтхилла [4], порождаемые турбулентными потоками акустические возмущения не оказывают обратного влияния на аэродинамические характеристики этих потоков. Откуда ясно, что для сколько-нибудь заметного изменения аэродинамических характеристик течения интенсивность искусственных акустических возмущений должна существенно превышать интенсивность естественного шума исходного течения.

Известен ряд теоретических и экспериментальных работ, в которых воздействие акустических возмущений на струйные течения изучалось в связи с проблемой устойчивости ламинарного течения [5 - 8]. В этих работах отмечается, что при сравнительно малых числах Рейнольдса в случае истечения струи из плоского или круглого сопла образуются дискретные вихревые нити или вихревые кольца, характеристики которых существенным образом изменяются при наложении акустических возмущений. Отличительной особенностью данных исследований применительно к струйным течениям было то, что в них рассматривается влияние акустических возмущений на пульсационные характеристики течения и практически не обнаружено влияния акустических возмущений на параметры осреднённого течения.

В работе [3] в результате экспериментального исследования влияния звука на характеристики осреднённого и пульсационного течений в затопленной турбулентной струе показано, что при соответствующем выборе интенсивности и частоты звукового сигнала можно в некоторых пределах либо интенсифицировать турбулентное перемешивание, либо, наоборот, ослабить его.

По мнению авторов [3] ослабление перемешивания объясняется тем, что наложение на турбулентное течение высокочастотных пульсаций сообщает некоторую дополнительную энергию мелкомасштабной турбулентности, что нарушает цепь последовательных переносов энергии от наиболее крупных вихрей к вихрям меньшего размера. В результате турбулентное течение в целом для своего поддержания отнимает меньшую долю энергии среднего движения, и интенсивность турбулентного перемешивания уменьшается.

Интенсификация перемешивания при наложении низкочастотных сигналов в [3] объяснялась действием этих сигналов на большие вихри. Т.е. низкочастотное облучение турбулизирует течение в самой струе. Изменение же начальной турбулентности считалось весьма незначительным и неспособным давать ощутимого эффекта.

В [9] получены данные об оптимальной для подавления турбулентности интенсивности звукового облучения струи. Также отмечается то обстоятельство, что эффект акустического воздействия достигается при весьма малом уровне звукового давления и соответственно при малых значениях пульсаций скорости в звуковой волне. Эти пульсации в 20 - 100 раз меньше максимальных пульсаций скорости на оси турбулентной струи в отсутствие звукового воздействия и даже меньше пульсаций скорости на срезе сопла.

В зависимости от частоты и амплитуды акустических колебаний, воздействующих на струю, наблюдалось как увеличение, так и уменьшение длины начального участка струи, и интенсивности пульсаций на оси струи [3 - 18]. Далее везде под интенсивностью пульсаций скорости подразумевается отношение среднеквадратичного значения продольных пульсаций к средней скорости на оси потока.

Из проведённых в данной работе, а также в работах [3,9, 11 -15, 18] измерений следует, что уменьшение длины начального участка струи, и увеличение интенсивности пульсаций скорости наблюдались при числах Струхаля, построенных по средней скорости и диаметру струи, Stn = близких к 0.3, где / - частота и0 внешнего акустического возмущения, D - диаметр струи, U0 -скорость на входе.

Увеличение длины начального участка струи, и уменьшение интенсивности пульсаций скорости на этом участке наблюдалось при более высокочастотном акустическом возбуждении струй. Причём в данном случае использовалось либо число Струхаля, построенное по толщине потери импульса, либо число Струхаля, построенное по диаметру струи. В литературе [11, 14] приводилось значение числа Струхаля построенное по толщине потери импульса fx О

Stв - --«0,017, где в - толщина потери импульса. В литературе [3, иа

9, 15, 18] полученные значения числа Струхаля, построенные по диаметру струи StD, были близки к 3.

В [12] отмечается, что заметное уменьшение интенсивности пульсаций скорости на начальном участке струи наблюдалось только на оси струи, где интенсивность пульсаций много меньше интенсивности пульсаций в слое смешения. Поэтому, на основе этих данных, нет достаточных оснований утверждать, что под действием акустики уменьшается полная энергия пульсационного движения.

Реализация обоих эффектов зависит от начальных условий истечения - режима течения в пограничном слое и степени турбулентности вне пограничного слоя в выходном сечении сопла. К сожалению, в первых работах по исследованию акустического возбуждения струй режим течения в пограничном слое не контролировался. Однако в дальнейшем, когда этот недостаток был устранён, картина оказалась неоднозначной.

Так, было показано, что при низкочастотном акустическом возбуждении интенсификация смешения в струе происходила независимо от режима течения в пограничном слое на срезе сопла и даже при повышенной степени начальной турбулентности [3, 13]. При высокочастотном возбуждении струи получены противоречивые результаты в зависимости от состояния пограничного слоя: в [14] эффект ослабления перемешивания исследован только при ламинарном режиме, в [11] он был реализован при ламинарном режиме течения и не имел места при турбулизации пограничного слоя внутри сопла, в [13, 17, 18] эффект получен как при ламинарном, так и при турбулентном режимах течения в пограничном слое в выходном сечении сопла.

Проведённые исследования работы [18] показали, что введение возмущений в пограничный слой сопла (наличие поперечной канавки на внутренней поверхности сопла, невысокой перегородки или же проволочной сетки на участке поверхности сопла, через которую по волноводу вводятся акустические возмущения [26]) мало сказывается на эффекте низкочастотного возбуждения, но существенно ослабляет или даже устраняет эффект замедления перемешивания при высокочастотном возбуждении.

В [18] эффект был реализован независимо от режима течения в пограничном слое в выходном сечении сопла, но при турбулизации начального пограничного слоя для его реализации требовался повышенный уровень акустического возбуждения.

Высокочастотный эффект ослабляется также с ростом уровня начальной турбулентности потока, а при уровне начальной турбулентности 5% он практически пропадает [13].

Известен ряд работ, в которых исследовалась зависимость акустического возбуждения струй от амплитуды воздействия от внешнего источника. В работе [15] показано, что при низкочастотном звуковом облучении струи при возрастании уровня звукового давления от некоторого минимального значения эффект увеличения интенсивности пульсаций скорости на оси вначале усиливается, а затем наступает насыщение, и дальнейшее возрастание уровня звукового давления не приводит к усилению эффекта. В данных опытах такое насыщение не было достигнуто, т.к. уровень пульсационной скорости в звуковой волне был на порядок меньше необходимого, приведённого в работе [15].

Данные о необходимом уровне звукового давления для достижения эффекта подавления турбулентности приведены в [9]. Откуда видно, что эффект подавления турбулентности реализуется в наибольшей степени при вполне определённом, оптимальном уровне звукового давления. Т.е. с ростом амплитуды акустического возбуждения интенсивность пульсаций скорости на оси струи падает от некоторого значения, определяемого пульсациями скорости в невозмущённой струе, и достигает минимума. Дальнейшее повышение уровня звукового давления приводит к росту интенсивности пульсаций скорости на оси струи, т.е. наблюдается тенденция к смене знака эффекта.

Относительно механизма воздействия акустики на струйные течения высказывались различные точки зрения. Например, о резонансном взаимодействии гидродинамических и акустических пульсационных полей в объеме [9], в результате которого низкочастотное облучение приводило к укрупнению периодических вихрей. Для случаев, когда частота акустического сигнала примерно на порядок превышала характерную частоту периодической структуры струи, было высказано предположение, что происходит размельчение крупномасштабных вихрей, и турбулентность подавляется.

Однако наиболее экспериментально обоснованной точкой зрения на данный момент является утверждение, что акустические колебания взаимодействуют с устройствами, формирующими поток, и в частности, с кромкой сопла, что приводит к возбуждению в потоке периодических пульсаций скорости, частота следования которых совпадает с частотой акустических колебаний. Это приводит к изменению спектра и уровня пульсаций скорости в начальном сечении, что в свою очередь влияет на структуру течения [10, 12]. Последнее предположение согласуется с экспериментальными результатами Релея [1], наблюдавшего чувствительность струй к акустическим колебаниям только в том случае, когда акустические колебания воздействуют на струю в месте её истечения из сопла, а так же с фотографиями спутных струй при воздействии на них акустических колебаний от внешнего источника [10, 12], рис. 10.

Кроме того, в [14] показано, что создание в затопленной струе пульсаций с помощью колеблющихся струн, установленных вблизи кромки сопла, приводит к качественно таким же результатам, как и при воздействии акустики.

В [10] исследовалось влияние начальных условий на течение осесимметричных спутных струй. Из фотографий приводимых в работе видно, что воздействие на струю звуковых колебаний от внешнего источника приводит к изменению структуры течения в кольцевом слое смешения, причём это изменение зависит от частоты звука. В зависимости от частоты звука наблюдалось как уменьшение, так и увеличение скорости расширения струи. Изменение внутренней структуры течения происходит не только вблизи сопла, но и вдали от него. По мнению авторов [10] роль акустических колебаний сводится, таким образом, только к изменению начальных условий, определяющих структуру потока на всей длине начального участка струи.

В работах [10, 11, 12, 19] было показано, что в результате акустического возбуждения в слое смешения образуются упорядоченные структуры. Под упорядоченными структурами в течениях с поперечным сдвигом подразумеваются пульсационные движения, скоррелированные на расстояниях, равных или больших ширине слоя с градиентом скорости.

В свободных сдвиговых течениях можно выделить два типа упорядоченных структур. К упорядоченным структурам первого типа относятся пульсационные движения, связанные с развитием в потоках волн неустойчивости, на нелинейной стадии сопровождающимся образованием вихрей и их последовательным слиянием. Вихри могут образовываться также в начальном сечении при взаимодействии акустических колебание достаточно большой амплитуды с устройствами, формирующими поток, или при вибрации этих устройств. Отличительными особенностями упорядоченных структур этого типа является их чувствительность к начальным условиям и двухмерность.

Упорядоченные структуры этого типа были обнаружены в слое смешения при визуализации течения на начальном участке спутных осесимметричных струй разной скорости и плотности [21]. Расстояние, на котором наблюдались упорядоченные структуры, увеличивалось при уменьшении пограничных слоев на кромке, разделяющей потоки, и увеличении отношения скоростей струй. Было отмечено, что наблюдавшиеся структуры представляют собой результат развития вихрей, образовавшихся на участке перехода вблизи кромки сопла.

Впоследствии в плоском слое смешения разной скорости и плотности также наблюдались упорядоченные структуры такого типа [22]. Из того факта, что упорядоченные структуры наблюдались на значительных расстояниях от кромки сопла, в [22] был сделан вывод, что, такие структуры являются характерной особенностью слоев смешения, не связанной с участком перехода.

Однако в дальнейшем была подтверждена первоначальная точка зрения на эти структуры как на результат развития вихрей, образовавшихся на участке перехода вблизи кромки сопла, и показана их зависимость от начальных условий и в том числе от акустических колебаний [10, 23].

К упорядоченным структурам второго типа относятся крупномасштабные турбулентные пульсации, которые связаны с таким явлением, как перемежаемость на границе турбулентных течений. Структуры этого типа трёхмерны и наблюдаются на любых расстояниях от начала течения, в том числе и на таких расстояниях, при которых влияние начальных условий пренебрежимо мало.

В литературе встречаются предположения, относительно того, каким образом изменение начальных условий с помощью акустических колебаний, приводит к уменьшению пульсаций скорости на оси. Из результатов своих экспериментов авторы [14] делают вывод, что к подавлению крупномасштабных вихрей приводит ускорение перехода к турбулентности в сдвиговом слое за кромкой сопла, и, вследствие этого более интенсивное размывание» мелкомасштабными пульсациями зарождающихся крупных вихрей.

В этом случае при увеличении амплитуды звуковых колебаний сечение, где течение уже турбулентно, приближалось бы к кромке и в пределе ситуация была бы эквивалентна турбулентному начальному пограничному слою. Следовательно, и уровень пульсаций на оси при акустическом возбуждении должен иметь некоторое промежуточное значение между крайними значениями, соответствующими ламинарному пограничному слою без возбуждения и турбулентному пограничному слою.

Авторы [14] не приводят результатов измерения уровня пульсаций на оси при турбулентном пограничном слое. Однако эксперименты, проведенные в работе [11] показывают, что турбулизация пограничного слоя на стенках сопла приводит к возрастанию интенсивности пульсаций скорости на оси струи, на всей длине, где сказывается влияние звука, тогда как воздействие акустики на струю с ламинарным пограничным слоем на стенках сопла приводит, наоборот, к уменьшению этих пульсаций [11]. Следовательно, укорочение участка перехода к турбулентности под действием звука не является единственной причиной уменьшения пульсаций на оси струи.

В [11, 12] было высказано предположение, что одним из результатов воздействия высокочастотных акустических колебаний, длина волны которых значительно превосходит размеры устройства формирующего поток, на струю является уменьшение трёхмерности и регуляризация начальных возмущений. Т.е. образование в слое смешения вблизи сопла (х < 1,5D) более двухмерных монохроматичных последовательно расположенных кольцевых вихрей, расстояние между которыми определяется частотой возбуждения и скоростью истечения. Следствием этого является образование в конце участка перехода более двухмерных вихрей с меньшей дисперсией частоты следования, а это в свою очередь приводит к образованию в потоке вихрей большей интенсивности и сохранению этих вихрей на больших расстояниях от среза сопла.

Взаимодействие вихрей, образовавшихся на участке перехода, с более крупномасштабными низкочастотными движениями в слое смешения, дающими основной вклад в энергию турбулентности, может приводить к значительному ослаблению последних. А, следовательно, усиление этих вихрей может приводить к стабилизации сдвигового течения, т.е. к уменьшению скорости расширения слоя смешения и интенсивности пульсаций скорости на оси струи.

Предположение о том, что воздействие акустических колебаний на струи приводит к образованию в потоке более двумерных вихрей с меньшей дисперсией частоты следования, подтверждается фотографиями спутных струй [10], а также данными о том, что при наличии в слое смешения встречной кромки повышается степень двумерности течения и не наблюдается слияние вихрей [24]. На фотографиях из работы [10] видно, что образовавшиеся под воздействием акустических колебаний вихри сохраняются без изменения масштаба на больших расстояниях от среза сопла, чем без воздействия акустики.

На фотографиях работы [12], рис. 10, а, б, приведены фотографии начального участка течения при скорости гелия на оси 12,7 м/с и скорости спутного потока 1,5 и 2,5 м/с соответственно. В центральной струе скорость плавно нарастает от границы струи до максимального значения, а в центральной части струи скорость приблизительно постоянна. При скорости спутного потока 1,5 м/с профиль скорости вблизи кромки немонотонный, но число Рейнольдса достаточно мало, поэтому возмущения в следе за кромкой не развивались и течение на границе струи в этом случае близко к ламинарному. На рис. 10, б скорость в струе осталась неизменной, а скорость спутного потока увеличилась до 2,5 м/с. Это изменило профиль скорости вблизи кромки сопла. Увеличился размер области, в которой скорость меньше скорости спутного потока, и на границе струи начали развиваться периодические возмущения. Развивающиеся возмущения сворачиваются в вихри, которые наблюдаются до расстояния от среза сопла, равного приблизительно 16 размерам вихря. На больших расстояниях видны трёхмерные неупорядоченные движения.

На рис. 10, в приведена фотография течения с такими же скоростями, что и на рис. 10, б, но при воздействии на струю акустических колебаний с частотой равной частоте следования вихрей и уровнем звукового давления в начальном сечении струи 116 Дб(относительно 2x10~5Па). Картина течения в этом случае заметно отличается от картины течения, приведённой на рис. 10, б. Во-первых, участок нарастания возмущений при воздействии акустики меньше, чем без воздействия акустики, хотя масштаб вихрей в обоих случаях приблизительно одинаков. Во-вторых, при воздействии акустики, образующиеся в потоке вихри, более упорядочены, в потоке не наблюдается развитие трёхмерных возмущений, а расстояние, на котором сохраняются образовавшиеся вблизи кромки вихри, заметно больше, чем без акустического воздействия.

Эксперименты в работе [12] проводились и при других скоростях течения. Если отношение скоростей было таким, что в следе за кромкой образовывалась цепочка вихрей, а частота акустических колебаний от внешнего источника равнялась частоте следования вихрей без воздействия акустики, то всегда отмечались описанные выше результаты воздействия акустики на течение.

Эксперименты проводились также при частотах акустических колебаний, отличных от частоты следования вихрей без воздействия акустики. В этом случае в некотором диапазоне амплитуд акустических колебаний наблюдалась «подстройка» частоты следования под частоту звука.

Можно предполагать, что акустическая регуляризация начальных возмущений оказывает существенное влияние не только на слои смешения, но является одним из основных механизмов воздействия акустики на потоки с поперечным сдвигом и, в особенности на потоки, в которых наблюдаются линейный и нелинейный этапы развития волн неустойчивости. В результате при воздействии акустики в потоках будут образовываться более интенсивные упорядоченные структуры, частота следования которых определяется частотой акустических колебаний.

Известные методы управления турбулентностью в струйных течениях подразделяются на две отчётливые категории: пассивное управление, не требующее подвода внешней энергии, и активное управление, требующее дополнительной энергии.

Пассивное управление осуществляется за счёт изменения начальных условий истечения (режим течения в пограничном слое на срезе сопла, изменение параметров этого слоя, начальная турбулентность потока, начальный масштаб турбулентности) или же изменения геометрии устройства, формирующего струю (форма сопла или диафрагмы с острыми кромками, сопла сложной геометрии: прямоугольные, треугольные, эллиптические, кольцевые, многотрубчатые, лепестковые, сопла круглого сечения с генераторами продольных вихрей в их выходном сечении). Пассивное управление позволяет не только изменять топологию крупномасштабных когерентных структур, но при их ослаблении усиливать относительную роль мелкомасштабной турбулентности. Как правило, при пассивном управлении достигается интенсификация смешения, хотя при некоторых слабых воздействиях, приводящих к ослаблению когерентных структур в струе удаётся получить и противоположный эффект - ослабление перемешивания.

Так в [27, 28] при истечении струи из круглого сопла с генераторами продольных вихрей, создающих азимутальную неоднородность потока, достигалось, в зависимости от геометрических параметров генераторов, их числа и толщины начального пограничного слоя на срезе сопла, как интенсификация смешения, так и его ослабление. По мнению авторов [27, 28] ослабление перемешивания, по-видимому, обусловлено задержкой роста кольцевых вихрей в слое смешения начального участка струи.

В авиационных двухконтурных турбореактивных двигателях с общей камерой смешения для снижения шума используются лепестковые сопла, обеспечивающие интенсификацию смешения и, как следствие, уменьшение масштаба турбулентности в струе и снижение шума.

Активное управление достигается при введении слабых периодических (гармонических) возмущений в устройство (сопло или диафрагму), формирующее струю. Для этой цели обычно используются акустические или вибрационные возмущения, а также возмущения начального пограничного слоя плоского сопла с помощью вибрирующих ленточек. В ряде случаев для интенсификации смешения в струях применяются высокоамплитудные периодические пульсации с помощью различного рода пульсаторов, расположенных перед соплом, или колеблющихся крылышек, расположенных за плоским соплом.

При соответствующем выборе частоты слабых акустических возмущений можно усиливать или ослаблять турбулентность, соответственно увеличивать или уменьшать шум струи.

Главное достоинство акустического управления турбулентными струями состоит в его высокой эффективности: для получения существенного изменения аэродинамических, акустических и других характеристик турбулентной струи требуется тональное возмущение весьма малой интенсивности. Так, при акустическом возбуждении струи отношение среднеквадратичного значения пульсаций скорости в звуковой волне на срезе сопла и[ к скорости истечения и0 составляет u'Ju0 = 0.001-0.02. Существенное преимущество акустического метода управления турбулентными струями состоит в том, что при его реализации не требуется введения в поток различного рода прерывателей или движущихся частей. По существу, акустический метод управления дозвуковыми турбулентными струями сводится к управлению их когерентными структурами в их начальном участке. Так, при изменении геометрии сопла, которое приводит к существенному ослаблению крупномасштабных когерентных структур (например, в [29, 30] для лепесткового сопла), периодическое возбуждение струи не приводит к изменению её характеристик.

Промежуточное положение между пассивным и акустическим управлением турбулентными струями занимают соответствующие изменения геометрии струйного течения, которые обуславливают возникновение самовозбуждения струи (например, самовозбуждение околозвуковой струи при её натекаиии на экран, при организации слабого внезапного расширения за соплом, при возбуждении струи за счёт воздействия резонансных свойств ресивера, при помещении резонатора вблизи выходного сечения сопла и др.). Так, например, в работах [36-38, 44] исследовано так называемое «свистящее сопло». Во всех этих случаях механизмы воздействия на струи обусловлены образованием акустических колебаний, наличием акустической обратной связи.

Механизмы турбулентного смешения и генерации аэродинамического шума в сверхзвуковых неизобарических струях существенно отличаются от соответствующих механизмов дозвуковых турбулентных струй. Акустические методы управления могут оказаться эффективными и для сверхзвуковых струй. Случаи активного и пассивного управления сверхзвуковыми струями рассмотрены в [45].

Влиянию изменения формы сопла на акустическую чувствительность струй, т.е. на зависимость характеристик струи от амплитуды и частоты акустических колебаний, посвящено много работ, обзор которых можно найти в [45]. Но в этих работах изменение формы сопла приводило к изменению структуры течения на срезе сопла, и, следовательно, к изменению характеристик струи.

В [12] был предложен новый пассивный метод управления акустической чувствительностью струи при помощи изменения формы кромки сопла, с которой взаимодействуют акустические колебания, в азимутальном направлении. При этом предполагалось воздействовать только на структуру и амплитуду начальных возмущений, из которых развиваются кольцевые вихри в слое смешения, что может быть сделано без изменения структуры потока в выходном сечении сопла. Также было высказано предположение, что в результате данного воздействия можно будет уменьшить и шум, создаваемый потоком. Однако систематических экспериментальных исследований влияния формы кромки сопла на структуру течения на начальном участке струи выполнено не было.

Можно привести немало примеров, связанных с данными явлениями. Особенно актуально это для ракетной техники. Одним из таких примеров реализации акустического воздействия на начальный участок течения может служить форсуночная головка в ЖРД, находящаяся под непосредственным воздействием различных шумовых факторов, как-то шум струи, газогенераторов, насосов и т.д. Незначительное изменение в конструкции устройств, производящих шум, например изменение геометрических размеров, может приводить к заметным изменениям характеристик течения в случае отсутствия поправок на такого рода эффекты. Результаты же данной работы могут быть использованы в решении задачи снижения акустической чувствительности течения.

Акустические колебания влияют на такие характеристики течения как скорость расширения струи и на взаимопроникновение спутных потоков, что в свою очередь, необходимо учитывать, например, при формировании локально чистых зон или организации параллельных течений. Выше было высказано предположение о том, что, изменение начальных возмущений путём изменения формы кромки сопла может также влиять на шум, производимый течением, а сегодня, как известно, в гражданской авиации и в ракетостроении стоит задача уменьшения шума и акустических нагрузок, производимых реактивной струёй.

Хотя, как отмечалось выше, влияние акустики на струи изучалось более ста лет, влияние конфигурации формы кромки на акустическую чувствительность струи изучено недостаточно.

В работе использованы результаты, которые были опубликованы в [47 - 50] и докладывались на XLI и XLIV Научной конференции МФТИ в 1998г. и 2001г.

На защиту выносятся:

- экспериментальная установка с низким уровнем начальных возмущений потока.

- система измерений основных характеристик течения.

- результаты исследования влияния акустики на основные параметры течения при начальном ламинарном и турбулентном пограничных слоях.

- результаты исследования влияния формы кромки сопла на акустическую чувствительность струи.

Основные результаты и выводы

1. Создана экспериментальная установка для исследования течения в круглой затопленной струе. Минимальный уровень начальных возмущений потока <?0 = ОД 6%.

2. Проведено экспериментальное исследование влияния формы кромки сопла на акустическую чувствительность струи, т.е. на зависимость характеристик струи от амплитуды и частоты акустических колебаний от внешнего источника.

3. Наблюдались эффекты уменьшения интенсивности пульсаций скорости на оси струи и соответственно увеличения начального участка течения, Stn>шах « 2,6 (900Hz), и увеличения пульсаций скорости и уменьшения начального участка, Sid,max ~ 0,29(100Hz), в зависимости от частоты акустического возбуждения. Причём зависимость U'(f) была получена непрерывно по всему спектру звуковых частот.

4. Указанные выше эффекты наблюдались как при ламинарном, так и при турбулентном режиме течения в пограничном слое.

5. Турбулизация пограничного слоя на стенке трубы ослабляет или даже устраняет высокочастотный эффект замедления перемешивания.

6. Проведённые исследования показали зависимость акустических эффектов от амплитуды воздействия как при ламинарном, так и при турбулентном режиме течения в пограничном слое сопла. Причём понижение амплитуды акустического облучения до такого уровня, что высокочастотный эффект замедления перемешивания при турбулентном пограничном слое не наблюдается, не приводило к тому, что этот эффект исчезает при ламинарном пограничном слое на стенках сопла.

7. Измерения средней скорости и интенсивности пульсаций скорости на оси струи в зависимости от расстояния до среза сопла показали, что при внешнем акустическом воздействии неоднородность кромки по азимуту приводит к увеличению пульсаций скорости на оси, как при высокочастотном, так и при низкочастотном акустическом возбуждении. Исследования проводились в условиях, когда без внешнего акустического воздействия изменение формы кромки не приводило к изменению характеристик струи, т.е. структура течения на срезе сопла и режим течения в пограничном слое на стенках сопла оставались неизменными.

8. Установка на внешнюю сторону трубы экрана приводила к ослаблению вводимых в поток пульсаций скорости, что в свою очередь приводило к ослаблению эффекта воздействия акустики, как в случае высокочастотного, так и низкочастотного облучения.

Дальнейшие исследования должны выяснить пределы влияния формы кромок на акустическую чувствительность струи и, таким образом, на возможность управления характеристиками струи.

Автор выражает глубокую благодарность А.А. Павельеву за помощь в планировании и проведении всех этапов работы, а также обсуждении полученных результатов.

1. Рэлей (Дж. Стретт) Теория звука. Т.2. М.: Гостехиздат, 1944, с. 390.

2. Leconte, "On the Influence of Musical Sound on the Flame of a Jet of Coalgas", Phil. Mag., том XV, 1858, с. 235.

3. Власов E. В., Гиневский А. С. Акустическое воздействие на аэродинамические характеристики турбулентной струи. Изв. АН СССР, МЖГ , 1967, №4, с. 133-138.

4. Lighthill M.J. On sound generated aerodynamically, pt. I. General Theory. Proc. Roy. Soc. A., 1952, p. 211, pt. II. Turbulence as a source of sound. Proc. Roy. Soc. A., 1954, p. 222.

5. Wehrmann O. Akustische Steuerung der turbulenten Anfachung im Freistrahl. Jahrbuch der Wissenschaftlichen Gesellschaft fur Luftfahrt, Braunschweig, 1957.

6. Michalke A., Wehrmann O. Akustische Beeinflussung von Freistrahlgrenzschichten. Proc. Internat. Council Aeronaut. Sci. Third Congress. Stockholm, 1962. Washington-London, 1964.

7. Freymuth P. On transition in a separated laminar boundary layer. J. Fluid Mech., 1966, vol. 25, pt. 4.

8. Sato H., Okada O. The stability and transition of an axisymmetric wake. J. Fluid Mech., 1966, vol. 26, pt. 2.

9. Власов E. В., Гиневский А. С. Генерация и подавление турбулентности в осесимметричной турбулентной струе при акустическом воздействии. Изв. АН СССР, МЖГ , 1973, №6, с. 37-43.

10. Навознов О. И., Павельев А. А. Влияние начальных условий на течение осесимметричных струй. Изв. АН СССР, МЖГ , 1980, №4, с. 18-24.

11. Павельев А. А., Цыганок В. И. Влияние акустики и режима течения в пограничном слое на стенках сопла на слой смешения затопленной струи. Изв. АН СССР, МЖГ , 1982, №6, с. 36-42.

12. Павельев А. А., Цыганок В. И. Влияние акустической регуляризации начальных возмущений на развитие упорядоченных структур. Изв. АН СССР, МЖГ , 1986, №1, с. 171-174.

13. Raman G., Zaman К. В. М. Q., Rice E.J. Initial turbulence effect on jet evolution with and without tonal excitation Phys. Fluids A, 1989, V.l, № 7, P. 1240-1248.

14. Zaman К. В. M. Q., Hussian А. К. M. F. Turbulence suppression in free shear flows by controlled excitation. AIAA Paper, 1980, №1338, p. 16.

15. Crow S. C., Champagne F. H. Orderly structures in jet turbulence. J. Fluid Mech., 1971, v. 48, №3, p. 547-591.

16. B.J. Abu-Ghannam ,R. Shaw Natural transition of boundary layer -the effects of turbulence, pressure gradient, and flow history. J. Mech. Eng. Science, 1980, v. 22, №5, p. 213-228.

17. Власов E. В., Гиневский А. С., Каравосов P.К. Аэроакустические характеристики акустически возбуждённых струй. Акустика турбулентных потоков. М.: Наука, 1983. с. 14-21.

18. Власов Е. В., Гиневский А. С., Каравосов Р.К., Макаренко Т.М. О подавлении турбулентности в дозвуковых струях при их высокочастотном акустическом возбуждении. Изв. АН СССР, МЖГ, 1999, №1, с. 28-34.

19. Лущик В.Г., Павельев А.А., Якубенко А.Е. Управление турбулентными пограничными слоями: результаты экспериментов и расчётные модели. В сб. Механика и научно-технический прогресс, т.II, Механика жидкости и газа, Наука, Москва, 1987г., с. 67-89.

20. Коляда В.В., Павельев А.А. О переходе к турбулентности на начальном участке круглой трубы. Изв. АН СССР, МЖГ , 1985, №4, с. 52-56.

21. Навознов О. И., Павельев А. А. О переходе к турбулентности в спутных струях. Изв. АН СССР, МЖГ , 1969, №6, с. 131-139.

22. Brown G.L., Roshko A. On density effects and large structure in turbulent mixing layers. J. Fluid Mech., 1974, v. 64, p. 775-816.

23. Dimotakis P.E., Brown G.L. The mixing layer at High Reynolds number: large-structure dynamics and entrainmants. J. Fluid Mech., 1976, v. 78, Pt 3, p. 535-560.

24. Rockwell D. Oscillations of impinging shear layers. AIAA Journal, 1983, v. 21, №5, p.6459664.

25. Коляда В.В. Влияние профиля скорости и уровня возмущений на переход к турбулентности в трубе. Диссертация, 1985, МФТИ.

26. Власов Е. В., Гиневский А. С., Каравосов Р.К. Влияние модового состава акустических возмущений на аэроакустические характеристики турбулентной струи. Акуст. журн. 1986, Т.32, №4, с. 526-527.

27. Bradbury L.J.S., Khadem А.Н. The distortion of a jet by tabs. J. Fluid Mech, 1975, v.70, pt. 4, p. 801-813.

28. Власов E.B., Гиневский А.С., Каравосов Р.К. Влияние начальных условий истечения на аэродинамические и акустические характеристики турбулентных струй. В кн.: Механика неоднородных и турбулентных потоков. М.: Наука, 1989, с. 26-34.

29. Власов E.B., Каравосов P.K., Лебедева O.B. Акустические характеристики смесительного устройства ТРДД. Техника воздушного флота. 1991, №5-6, с. 31-35.

30. Власов Е.В., Гиневский А.С. Когерентные структуры в турбулентных струях и следах. / Итоги науки и техники. Сер. Механика жидкости и газа, т.20, ВИНИТИ, 1986, с. 3-84.

31. Власов Е.В., Гиневский А.С., Каравосов Р.К. Прямые и косвенные методы экспериментального обнаружения когерентной структуры турбулентных струй / В кн.: Механика турбулентных потоков. М.: Наука, 1980, с. 206-219.

32. Белоглазов Б.П., Гиневский А.С. Влияние начальной турбулентности и начального масштаба турбулентности на характеристики спутных струй. Промышленная аэродинамика, 1985, №1(33), с. 195-212.

33. Власов Е.В., Гиневский А.С., Каравосов Р.К., Макаренко Т.М. О смене знака высокочастотного акустического воздействия на турбулентную струю с ростом уровня возбуждения. Инж.-физ. журн., 2001, т. 74, №1, с. 8-9.

34. Власов Е.В., Гиневский А.С., Каравосов Р.К. Аэроакустические характеристики акустически возбуждённых струй. В кн.: Акустика турбулентных потоков. М.: Наука, 1983, с. 14-21.

35. M.A.Z. Hasan, A.K.M.F. Hussain A formula for resonance frequencies of a whistler nozzle. J. Accost. Soc. Am., 1979, v. 65(5), p. 1140-1142.

36. M.A.Z. Hasan, A.K.M.F. Hussain The self-excited axisymmetric jet. -J. Fluid Mech., 1982, v. 115, p. 59-89.

37. M.A.Z. Hasan, A.K.M.F. The "whistler-nozzle" phenomenon. J. Fluid Mech., 1983, v. 134, p. 431-458.

38. Zaman K.B.M.Q., Hussain A.K.M.F., Vortex Pairing in a Circular Jet Under Controlled Excitation. J. Fluid Mech., 101, pp. 449-491, 1980.

39. Hussain A.K.M.F., Zaman K.B.M.Q., The 'Preferred Mode' of the Axisymmetric Jet J. Fluid Mech., 110, p. 39-71, 1981.

40. Hussain A.K.M.F., Coherent Structures and Turbulence J. Fluid Mech., 173, pp. 303-356, 1986.

41. Kida S., Takaoka M., Hussain A.K.M.F., Collision of Two Vortex Rings. J. Fluid Mech., 230, pp. 583-646, 1991.

42. Shtern V., Hussain A.K.M.F. Azimuthal Instability of Divergent Flows J. Fluid Mech. 256, pp. 535-560, 1993.

43. Husain H. S., Hussain A.K.M.F., The Elliptic Whistler Jet J. Fluid Mech., 397, pp. 23-44, 1999.

44. Гиневский А. С., Власов E. В., Каравосов P.К. Акустическое управление турбулентными струями. Физматлит, Москва, 2001 г, с. 240.

45. Лебедев Л.Л. Влияние конфигурации входного устройства на чувствительность осесимметричных струй к внешнему акустическому возмущению. Дипломная работа, 20 е., 1998.

46. Лебедев Л.Л. Влияние конфигурации входного устройства на чувствительность оссеметричных струй к внешнему акустическому воздействию. Тезисы докладов XLI Научной конференции МФТИ. Часть И. Изд. МФТИ, Москва, Долгопрудный, 1998, с. 136.

47. Лебедев Л.Л. Влияние формы кромки сопла на акустическую чувствительность струй. Тезисы докладов XLIV Научнойконференции МФТИ. Часть III. Изд. МФТИ, Москва, Долгопрудный, 2001, с. 29.

48. Лебедев J1.JI. Влияние режима течения в пограничном слое сопла на чувствительность струи к внешним акустическим колебаниям. Электронный журнал «Исследовано в России», 141, 2001, с. 1619-1624. http://zhumal.ape.relarn.ru/articles/2001/141.pdf

49. Лебедев Л.Л., Павельев А.А. Влияние формы кромки сопла на акустическую чувствительность струй. Известия АН, МЖГ , №1,2002, с.26-31.

50. Профиль скорости на срезе и на расстоянии 2,5D от срезатрубы.

51. Профиль пульсаций скорости на расстоянии 2,5D от срезатрубы.

52. Тарировка датчика термоанемометрарасчетная скорость, m/q.

53. Схема термоанемометрических и акустических измерений.1. Спектр шума помещения1. Граница "серого" шутка31.51. S31252505001К