Остапенко (М о с к в а). О закономерностях несвободного взаимодействия ударных волн с пограничным слоем на пластине со скольжением

из "Механика жидкости и газа 2002 N02 "

Приведены результаты сравнительного исследования влияния звука высокой интенсивности (уровень звукового давления на кромке сопла I = 165 дБ) на расширение турбулентных струй гелия и воздуха. Струи и звуковые волны были визуализованы прямым теневым способом с помощью искрового источника света со временем экспозиции 2 10 с. Показано, что струя гелия расщиряется гораздо быстрее, чем воздушная струя с тем же динамическим напором. [c.39]
Исследования, предпринятые в последнее время с целью изучения влияния периодического воздействия на ламинарные и турбулентные струи, позволили установить основные особенности протекания процессов смешения и излучения звука такими струями. Среди различных способов периодического воздействия на струи особое место занимает акустическое воздействие, позволяющее в широких пределах менять интенсивность, частоту и место воздействия звука на струю, спектральные и фазовые соотношения в звуковой волне, угол падения звука на струю, форму звуковой волны и т.д. Такие широкие возможности акустического способа воздействия позволяют использовать его не только как средство для целенаправленного изменения газодинамических и акустических характеристик струйных течений, но и как инструмент для исследования механизмов процессов смешения и излучения звука такими течениями. [c.39]
В основе всех существующих в настоящее время представлений о механизмах воздействия звука на струйные течения лежит представление о гидродинамической неустойчивости свободного сдвигового слоя струи и струи в целом и об упорядоченных структурах, возникающих в струях вследствие этой неустойчивости. Наличие таких упорядоченных структур как в ламинарных, так и в турбулентных струях, подтверждено многочисленными экспериментальными и теоретическими исследованиями. Предлагаемые различными исследователями механизмы воздействия звука на струйные течения охватывают все возможные способы воздействия на такие упорядоченные структуры. В частности, предполагают, что в турбулентных струях возможно прямое взаимодействие между звуком и турбулентной структурой потока, прямое воздействие звука на процесс передачи энергии от больших турбулентных вихрей к меньшим [1]. Другая точка зрения состоит в том, что звуковые колебания действуют на струю у среза сопла вблизи точки отрыва потока и приводят к образованию вихрей, которые по мере их распространения вдоль струи, вследствие неустойчивости струи и/или ее сдвигового слоя могут усиливаться или ослабляться в зависимости от частоты воздействия (см., например, [2]). Это наиболее распространенная точка зрения на процесс взаимодействия звука со струями. Высказывается также предположение, что возможна постоянная связь между звуковой волной, воздействующей на слой смешения, и возбужденной волной неустойчивости на протяжении нескольких длин волн неустойчивости [3] и, наконец, существует мнение, что взаимодействие звука со струей происходит через воздействие на поверхность раздела между струей и окружающим пространством [4]. [c.39]
Исследования воздействия звука высокой интенсивности на турбулентные струи [6] подтверждают в целом точку зрения, что взаимодействие звука со струей локализовано вблизи выходного сечения сопла и что звук достигнутой в проведенных опытах интенсивности (до 174 дБ) не оказывает заметного влияния на уже образовавшиеся возмущения (т.е. нет взаимодействия между акустической и вихревой компонентами движения). Однако остается открытым вопрос о том, что является определяющим фактором в звуковых волнах в явлениях аэроакустических взаимодействий в струях, что заставляет сдвиговый слой сворачиваться в вихри. Обычно полагают [7], что для заметного воздействия на струю звуковое давление в падающей волне должно составлять определенную часть от полного давления в струе (или значение колебательной скорости в звуковой волне должно составлять определенную часть от скорости истечения струи). Роль этих величин в рассматриваемом явлении еще недостаточно изучена, и настоящая работа представляет попытку получить некоторые дополнительные данные о механизме воздействия звука высокой интенсивности на турбулентные струи. [c.40]
Цель настоящей работы - определить влияние звука высокой интенсивности на возникновение и развитие возмущений в дозвуковой турбулентной струе при изменении параметров потока на срезе сопла при неизменных уровне звукового давления на кромке сопла, угле падения звука на границу струи и динамическом напоре в струе. Это достигалось изменением рабочего тела струи - исследования были вьшолнены со струями гелия и воздуха. [c.40]
Это явление, наблюдаемое обычно при истечении воздушных струй под действием звука высокой интенсивности при достаточно больших сверхкритических перепадах давления на сопле, оказывается возможным при истечении дозвуковой струи гелия (коэффициент скорости X = 0.98) из-за высокой скорости истечения (в рассматриваемом случае и 820 м/с), существенно превышающей скорость звука в окружающем пространстве. Скорость конвекции возмущений, составляющая обычно 0.5-0.7 от скорости струи, при этом также превышает скорость звука в окружающем пространстве - это приводит к излучению волн Маха дозвуковой струей гелия с частотой акустического воздействия. Наблюдаемая в проведенных опытах разница в восприимчивости воздушной струи и струи гелия к воздействию звука высокой интенсивности может происходить, по-видимому, из-за различий чисел Рейнольдса рассматриваемых струй для воздушных струй оно составляет КС ,(г = 1.2 10- -2.6 10 , а для струй гелия Кецс = 4 Ю -Ю при изменении полного давления в форкамере сопла от 1.2 до 2 атм. [c.43]
Проведенные опыты с воздействием звука высокой интенсивности на струи гелия и воздуха позволяют выдвинуть предположение, что величиной, характеризующей степень воздействия звука на струю, может служить величина а = (1/Ке) р 1р )) (р - звуковое давление на кромке сопла). Относительно введения числа Рейнольдса в величину, характеризующую степень воздействия звука высокой интенсивности на турбулентные струи, следует отметить следующее факт образования вихрей при прохождении фазы максимального сжатия в пилообразных звуковых волнах конечной амплитуды через выходное сечение сопла можно считать достаточно хорошо установленным. Это означает, в частности, что момент образования вихря связан с прохождением фронта пилообразной звуковой волны через пограничный слой. [c.44]
На фиг. 5 приведены теневые фотографии, показывающие процесс взаимодействия звука со струей гелия (ро =1.6 атм) в развитии. Снимки производились в случайные моменты времени и затем располагались в последовательности, задаваемой положением фронта звуковой волны относительно кромки сопла. Усмотреть образование отчетливого вихря в струе гелия под действием звука высокой интенсивности и проследить за его развитием не удается, струя гелия под действием звука не совершает поперечных колебаний, а расширение струи гелия происходит главным образом за счет развития возмущения на необлучаемой стороне струи. Оценки показывают, что последнее обстоятельство едва ли может быть отнесено к действию подъемной силы, действующей на струю гелия на это же указывает и фотография невозмущенной струи гелия (фиг. 1). [c.45]
Можно предположить, что при акустическом воздействии на струи состав газа не имеет существенного значения и что на горячие струи малой плотности звук будет оказывать действие, подобное тому, которое он производит на струю гелия. [c.45]
Заключение. Относительное изменение ширины струи гелия (разности между шириной струи, подвергающейся акустическому воздействию, и шириной невозмущенной струи в определенном сечении) под действием звука высокой интенсивности в 1.5-2 раза превосходит аналогичную величину для воздушной струи при одинаковых значениях полного давления в обеих струях, уровня звукового давления на кромке сопла и угла падения звука на границу струи. При внешнем поперечном акустическом воздействии возникновение и развитие возмущения в струе гелия происходит иначе, чем в воздушной струе, - без образования отчетливого косого вихря. В величину, характеризующую степень воздействия звука на струю, по-видимому, следует включить число Рейнольдса струи. [c.45]
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований ( 00-01-00152). [c.48]
Проведено экспериментальное моделирование возникновения электрического тока, выносимого из авиационного реактивного двигателя его струей, и тока, стекающего в газодинамический след за нагретой лопаткой. В экспериментах использовались две модели металлический цилиндрический канал, внутри которого движется высокотемпературный газ, и металлическая лопатка (от лопаточной машины), обтекаемая высокотемпературной струей. Рабочая среда создавалась на газогорельной установке, в которой происходило диффузионное горение струи пропана в спутном потоке воздуха. Представлены зависимости электрического тока выноса от расхода воздуха в спутном потоке. Дано качественное объяснение полученных результатов. [c.49]
Работа авиационных реактивных двигателей сопровождается выносом из них реактивной струей электрического тока (тока выноса У) [1,2]. Этот ток, как показано в натурных исследованиях, в большинстве случаев является положительным. Наличие такого тока могло бы приводить к непрерывному накоплению на летательном аппарате отрицательного электрического заряда. Однако на всех самолетах устанавливаются разрядники (работающие по принципу коронного разряда), которые сбрасывают в окружающее пространство отрицательный ток, в стационарных условиях по модулю равный току У. На самолете в этих условиях имеется некоторый отрицательный заряд, необходимый для коронирования разрядников. С повышением качества разрядников стационарный заряд на самолете уменьшается. [c.49]
Исследование причин нарушения квазинейтральности потока в тракте двигателя является достаточно сложной задачей. Одна из причин, обусловленная диффузионными электрическими процессами внутри тракта двигателя и исследуемая в [3-5], состоит в следующем. В камере сгорания авиационного двигателя, вследствие хемоионизационных процессов возникают электроны и ионы, которые далее движутся с газодинамическим потоком, первоначально являющимся квазинейтральным. [c.49]
П сЬ(Ьузионные электрические процессы развиваются вблизи внутренних поверхностей (стенок канала, внутренних элементов двигателя), на которых концентрации заояженных частиц существенно меньше, чем в ядре потока. Так как коэффициент диффузии электронов намного больше, чем ионов, то диффузионный поток электронов превосходит ионный поток, и вблизи поверхности образуется избыточный положительный заряд, который сносится газодинамическим потоком, и тем самым возникает ток выноса. Этот процесс ограничивается развивающимся собственным электрическим полем. Физико-математическая модель этого процесса включает уравнения сохранения для заряженных частиц (с учетом их конвекции, диффузии и дрейфа в электрическом поле) и уравнение для электрического поля [3]. В рамках такого подхода проведено численное моделирование электрических диффузионных процессов на плоской пластине при ламинарном и турбулентном ее обтекании [3, 4]. в окрестности критической точки затупленного тела [4] и на высокотемпературной турбинной лопатке [5]. [c.50]
Однако экспериментальные исследования указанного выше процесса нарушения квазинейтральности потока и возникновения тока выноса в настоящее время отсутствуют. Данная работа посвящена лабораторному моделированию генерации тока выноса в цилиндрическом канале, который моделирует внутренний тракт двигателя, и на лопатке (применительно к турбине двигателя). Рабочим газом являются продукты сгорания пропана в воздухе. [c.50]
В этой связи заметим, что для определения параметров низкотемпературной плазмы продуктов сгорания часто используется зондовая методика, когда тело малых размеров (зонд) устанавливается в потоке и экспериментально находится вольт-амперная характеристика зонда. Теория зонда основана на анализе электрических диффузионных процессов вблизи его поверхности. Наиболее четкая теория зонда создана для случая, когда движение газа относительно зонда отсутствует. Учет реального обтекания зонда низкотемпературной плазмой до сих пор является не полностью решенной задачей. Зондовая методика и ее теоретическая интерпретация ранее разрабатывались во многих научных организациях. [c.50]
Возможности созданной установки гораздо больше, чем непосредственно использованные в данной работе. Установка предназначена для проведения широкого круга электрогазодинамических исследований. Так, в ней предусмотрен ввод в холодный или горячий поток дополнительных заряженных или незаряженных частиц с помощью специальной системы подачи дисперсной фазы. Вне струи продуктов сгорания в нижней по потоку зоне установлена система зондов-антенн для регистрации пульсаций электрического поля, создаваемого заряженными частицами в газодинамическом потоке. [c.50]
В данной установке горелка I и системы подачи 2- электрически изолированы от земли. Для измерения возможного тока с указанных элементов они должны быть соединены с землей через прибор (например, микроамперметр). [c.51]
Расходы топлива и воздуха через горелку составляли 14 и 18 см /с соответственно и не изменялись в процессе описываемых ниже экспериментов. Расход воздуха через систему 4 поддува спутного воздуха изменялся от = 39 до 160 см /с. При дальнейшем увеличении G реализовался срывной режим. Путем изменения G создавались различные газодинамические и температурные условия обтекания устанавливаемых в потоке моделей. [c.51]

Вернуться к основной статье

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...