ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Зависимость излучения от расстояния сопло — резонатор из "Источники мощного ультразвука " Прежде всего остановимся на той качественной картине процесса генерации, которая изложена в работах [25, 26] на основании результатов исследований сверхзвуковых струй пневмометрическим и теплеровским методами пульсационных явлений на низких частотах при использовании вместо резонатора второго, так называемого пульсационного, сопла, соединенного с резервуаром большого объема, а также различных режимов работы генератора. [c.15] Пусть резонатор помещен в первую зону нестабильности струи (рис. 3) распределение среднего во времени статического давления в вытекающей струе, измеренного пневмометрической трубкой, изображено на рис. 3, б в виде кривой Попадая в резонатор, струя тормозится при этом возникает плоский скачок уплотнения, за которым скорость потока становится дозвуковой, а давление возрастает. Таким образом, кинетическая энергия струи преобразуется в энергию сжатого газа. Оказывается, не вся энергия струи запасается в резонаторе в виде потенциальной энергии, даже если не учитывать потери на трение. Часть энергии при прохождении через скачок уплотнения необратимо превращается в тепло, повышая энтропию в скачке [191. [c.16] В первый момент разгрузки резонатора давление во встречном потоке на некотором участке (до точки больше, чем в основном, поэтому в пространстве между соплом и резонатором существуют две струи, сталкивающиеся приблизительно на середине зоны между соплом и резонатором. Это схематически изображено на рис. 4, а. Скачок уплотнения располагается на расстоянии X от сопла, а воздух, вытекающий из струи, растекается радиально, перпендикулярно оси сопло — резонатор. При этом воздух движется узкой струей, по-видимому, со сверхзвуковой скоростью, так как на тепле-ровских фотографиях ясно видна периодическая структура потока. [c.16] Естественно, что такое состояние длится очень непродолжительное время. По мере вытекания газа из резонатора давление в нем понижается и встречный поток наблюдается уже на меньшем участке (скажем, до точки а . Здесь и находится в этот момент скачок уплотнения. Судя по фотографиям, он несколько изменяет свою форму, а вытекающий из струи воздух отклоняется в сторону резонатора, образуя конусообразный ноток (рис. 4, б). [c.16] Однако существует ряд фактов, которые чрезвычайно трудно объяснить с позиций релаксационной гипотезы. Прежде всего обращает на себя внимание то обстоятельство, что частота генерации зависит не только от объема резонатора (времени его наполнения), но и от расстояния I между соплом и резонатором. Кроме того, известно [28], что процесс генерации звука в излучателе Гартмана сильно зависит от нагрузки, т. е. от внешней среды, на которую он работает, причем внесение в ближнее поле каких-либо предметов может резко изменить режим генерации механизм же релаксационных колебаний таков, что их амплитуда не должна зависеть от нагрузки [29]. Наряду с этим эксперименты показали, что частота плавно повышается при уменьшении глубины резонатора вплоть до нуля, когда резонатор вырождается в отражающую стенку иначе говоря, при определенных настройках возможно сохранить режим генерации без резкого изменения частоты излучения, хотя накопитель энергии перестал существовать. [c.17] Следует еще учесть, что в газоструйном генераторе обратная связь (по Гартману) осуществляется путем создания в резонаторе определенного противодавления втекающей струе. При этом торможение потока, вызывающее возникновение плоского скачка и повышение давления за ним, должно влиять на режим истечения не только в конце, но и в течение всего периода наполнения, что противоречит релаксационной гипотезе. А так как противодавление возрастает, и при неизменной величине коэффициент е = Ра/ о повышается, то и максимальная скорость истечения должна уменьшаться, а угол Маха увеличиваться. Это означает, что по мере нанолнения резонатора скачок уплотнения должен перемещаться к соплу. При наступлении фазы разгрузки и понижении противодавления скачок уплотнения начинает двигаться в обратном направлении. Такой же процесс наблюдается и для резонатора с /г = 0 в данном случае повышение давления происходит у отражателя. [c.17] Все это говорит о том, что реально существующий механизм высокочастотных колебаний в свистке Гартмана отличается от механизма низкочастотных пульсаций, носящих релаксационный характер. Поэтому для объяснения процессов, происходящих в излучателе, следует рассмотреть явления, наблюдаемые при ударе струи о жесткую поверхность. [c.18] Необходимо отметить, что расстояние, на котором при торможении струи возникает стационарный скачок, зависит от количества заторможенного воздуха и, следовательно, определяется размером отражающей стенки. На это указывал еще Гартман [30], когда рассматривал методику измерения давления в струе с помощью трубки Пито. В работе [24] приведены полученные экспериментально зависимости отхода скачка уплотнения от преграды при перемещении ее по отношению к соплу (сопло диаметром 12 мм, Ро = 2,8 ати). Как видно из рис. 6, при движении отражателя от сопла расстояние х растет медленнее, чем расстояние между соплом и отражателем другими словами, расстояние между скачком и преградой увеличивается. [c.19] На основании приведенных графиков можно заключить, что расстояние между скачком и отражателем является нелинейной функцией диаметра последнего при приближении диаметра отражателя к ширине струи изменение положения скачка по отношению к соплу замедляется, а при использовании отражателя, размеры которого превышают диаметр струи, дальнейший отход скачка от стенки прекращается. [c.19] при ударе струи об отражатель возникает скачок уплотнения причем если в нем возникает какое-то возмущение, то оно может распространяться только по направлению к отражателю, т. е. в зоне, где Л/ 1. Отразившись от жесткой стенки, возмущение возвращается к скачку и взаимодействует с ним. При этом возможно усиление первоначально возникших осцилляций скачка. Следующее возмущение будет иметь большее давление и позволит увеличить амплитуду колебаний скачка. Процесс нарастания колебаний будет продолжаться до тех пор, пока потери энергии, связанные с колебаниями скачка и излучением, не окажутся сравнимыми с энергией, приносимой импульсом. [c.19] Сопоставление теоретических и экспериментально наблюдаемых частот генерации для излучателя с отражающим диском показало довольно удовлетворительное совпадение характера зависимостей, но не абсолютных величин. [c.20] Осцилляции скачка уплотнения при применении отражающего диска наблюдаются, как правило, в ультразвуковом диапазоне частот и, судя по полученным осциллограммам, весьма близки к гармоническим. С другой стороны, на низких звуковых и инфразвуковых частотах Гартман получил пилообразные изменения давления, подтверждающие релаксационный характер процесса. По-видимому, в этих двух граничных случаях возбуждения акустических волн (с одной стороны, использование резонатора большой емкости, а с другой — полное его отсутствие) мы имеем дело с двумя различными типами генерации. О возможности подобного явления в автоколебательных системах при переходе от низких частот к высоким указал А. А. Харкевич [29]. [c.20] Какому механизму отдать предпочтение в генераторах Гартмана, где резонирующая полость занимает промежуточное положение между указанными граничными системами, — сказать еще трудно. Наши исследования стержневых излучателей и получение более низких частот (чем это следует из релаксационного механизма генерации), хорошо объясняемых с точки зрения резонансной гипотезы, заставляют предполагать, что в газоструйных генераторах скорее имеет место резонансный механизм возбуждения, хотя разрывной характер возмущений указывает на то, что колебания в струе при больших амплитудах не могут быть синусоидальными. [c.20] Заканчивая рассмотрение процессов, происходящих в струе при ее торможении, следует отметить, что возникновение прямого скачка уплотнения приводит к необратимым потерям энергии. При переходе через скачок энтропия газа возрастает, следовательно, имеет место низкий к.п.д. преобразования энергии струи в энергию упругих колебаний. В газодинамических устройствах снижение подобных потерь энергии осуществляется преобразованием плоского скачка в серию косых скачков уплотнения с помощью клино- или конусообразных рассекателей. Такой метод увеличения к. п. д. применительно к газоструйным излучателям был предложен В. П. Куркиным [31] (см. гл. 4). [c.20] Почти все исследования были проведены Гартманом для системы, имевшей диаметр сопла, равный диаметру резонатора и его глубине, т. е. [c.21] Гартман [25], проведя сравнительные испытания конического и двух типов цилиндрических сопел, и не обнаружив существенного влияния формы, остановился на суживающемся коническом сопле. В дальнейшем другие исследователи применяли именно этот тип сопла. Исключение составляют свистки конструкции Гипроникель [32], в которых использованы цилиндрические сопла. [c.21] Поэтому с увеличением а (при числе Маха по оси на срезе сопла М= ) скорость сильно падает к краям и реальный расход, а следовательно, и энергия струи — уменьшаются. [c.22] Как видно из рис. 8, для такого профилированного сопла 1. Хотя указанные типы сопел для генераторов Гартмана почти не применялись (исключение составляет стержневой излучатель Севори [34]), следует полагать, что их использование может несколько повысить мощность излучения. Так как длина ячейки До не зависит от величины внутреннего угла а, что было проверено нами на конических соплах с а=0, 30, 50, 70, 90 и 120°, частота излучения не зависит от профиля сопла. [c.22] Увеличение кинетической энергии струи] может ]быть также достигнуто повышением скорости истечения воздуха М 1) при использовании сопел Лаваля. Насколько нам известно, такими соплами применительно к излучателям Гартмана занимался лишь Лесняк (хотя по этому вопросу имеется лишь довольно краткая заметка [35], эта работа представляет очень большой интерес с точки зрения перспектив увеличения мощности газоструйных генераторов). [c.22] Вернуться к основной статье