ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Когерентные структуры и гидродинамическая неустойчивость из "Акустическое управление турбулентными струями " Основные закономерности распространения дозвуковых турбулентных струй несжимаемой жидкости и газа к последнему времени хорошо изучены как теоретически, так и экспериментально. Это относится к слоям смешения, плоским, осесимметричным и пространственным затопленным струям и струям в спутном потоке. Общепризнанным является деление струи на три участка (рис. 1.1) начальный, переходный и основной [1.1,1.14]. [c.12] Здесь p - плотность газа, Н - полное теплосодержание и z - массовая концентрация вещества. Таким образом, распространение струи на всем ее протяжении определяется распределением основных параметров течения в ее начальном сечении. Схема начального, переходного и основного участков затопленной струи приведена на рис. 1.1. [c.13] Понятие аэродинамические характеристики струи включает закономерности изменения ее параметров - длины начального участка, поперечных размеров, скорости, температуры, интенсивности пульсаций скорости и температуры, масштабов турбулентности, спектров и т.п. [c.13] Под управлением турбулентностью применительно к струйным течениям обычно имеют в виду способы изменения аэродинамических характеристик - интенсификацию или ослабление перемешивания, сводящиеся в основном к уменьшению или увеличению длины начального участка, увеличению или уменьшению дальнобойности струи, увеличению относительной роли мелкомасштабной турбулентности и т. п. [c.13] Наличие сравнительно долгоживущих и взаимодействующих друг с другом вихревых образований вносит в хаотическую, как представлялось ранее, турбулентность детерминистские аспекты и позволяет с новых позиций приступить к моделированию закономерностей свободной турбулентности. [c.14] Дальнейшее развитие этих трехмерных структур сводится к их полному или частичному спариванию, после чего в конце начального или в переходном участке струи происходит их распад на беспорядочные клубки. На рис 1,3,а представлена схема развития когерентных структур в начальном участке круглой струи [1.50] там же (рис. 1.3,6) в схематическом виде показано парное слияние двух кольцевых вихрей в начальном участке[1.26]. [c.15] Обращают на себя внимание два обстоятельства. На первом графике коэффициент корреляции в слое смешения вблизи сопла проходит через нулевое значение четырежды, прежде чем корреляция на оси струи первый раз изменяет знак. Расстояние между двумя нулями коэффициента характеризует продольный масштаб периодических вихрей. На втором графике представлены коэффициенты в узких полосах частот (фильтры с постоянной полосой пропускания / = 10 Гц). Из рис. 1.6,д следует, что периодичность течения при St = 0,48 проявляется в гораздо большей степени, чем при меньших (St = 0,20) и больших (St = 1,2) частотах при начальных уровнях турбулентности о = 0,5 и 5% и 10%. Об этом же свидетельствует и изменение максимальных значений пространственно- временной корреляции скоростей на оси струи в узких полосах частот (рис. 1.6,6). [c.17] На основе визуальных исследований, а также измерений пространст-венно-временных корреляций пульсаций скорости в слое смешения определена средняя конвективная скорость переноса вихревых структур U /uq = = 0,5-0,7. [c.17] В какой степени описанные выше закономерности зависят от числа Маха истечения Это было исследовано в ряде экспериментальных работ, в частности, в [1.11]. [c.17] В ближнем и дальнем акустических полях дозвуковой свободной турбулентной струи определялись функция когерентности [1.19] - нормированный модуль взаимного спектра пульсаций давления в двух точках - и соответствующая фаза взаимного спектра, которая использовалась для определения скорости конвекции возмущений различных частот в продольном направлении. [c.18] Опыты проведены при значениях чисел Рейнольдса Re = UQd/y = = (2,6 - 8.3) 10 и Маха Мо = uo/a = 0,29 и 0,95. Пограничный слой на срезе сопла был турбулентным d = 40 мм). [c.19] На рис. 1.7 представлена функция когерентности 7 в ближнем акустическом поле струи в зависимости от числа Струхаля St = fd/uQ при раздви-жении микрофонов в азимутальном и продольном направлениях для двух скоростей истечения струи, соответствующих числам Мо = 0,29 и 0,95. Характерной особенностью приведенных результатов является сохранение высокой степени когерентности на частоте, соответствующей числу Струхаля St = 0,35 при весьма значительных расстояниях между микрофонами (А0 = 180° и x/d = 3,5). На основе измерения фазы взаимного спектра в ближнем поле струи (вблизи ее границы) определена скорость конвекции возмущений вдоль по потоку, которая при частотах, соответствующих St = 0,35, оказалась равной U = (0,7 - 0,8)uq. [c.19] Наряду с такими, прямыми методами идентификации когерентных структур в струях, получили распространение и так называемые косвенные методы определения параметров когерентных структур. Эти методы сводятся к слабому периодическому возбуждению струи и выявлению ее реакции на возмущения различной частоты. При наличии естественной тенденции к упорядоченности периодическое возбуждение может усилить скрытую регулярную структуру выше исходного турбулентного фона и, таким образом, сделать ее более отчетливой [1.8,1.30]. При таком способе обнаружения когерентных структур неизбежно возникает вопрос об их идентичности исходным структурам, которые образуются в струйных течениях при отсутствии периодического возбуждения. Ответ на этот вопрос не является однозначным. Упомянутый косвенный метод может быть приемлем в том случае, когда слабое возбуждение струи не приведет к заметному изменению осредненного течения [1.36]. Впрочем, даже при нарушении этого последнего условия некоторые интегральные характеристики когерентных структур - их характерная частота и конвективная скорость переноса -мало отличаются от соответствующих характеристик для невозбужденных струй. [c.20] Реакция начального участка круглой турбулентной струи на продольные монохроматические акустические возмущения различной частоты впервые исследована в работе [1.30] для струи с числом Re = 10 при начальном турбулентном пограничном слое. На рис. 1.8 показана полученная в работе амплитудная характеристика - зависимость среднеквадратичной величины пульсаций скорости в точке x/d = 4 , г/d = О от интенсивности акустических пульсаций скорости на срезе сопла us при разных числах Струхаля Sta, определенных по частоте fs воздействующего звука. При малых уровнях возбуждения основной сигнал линейно зависит от уровня возбуждения иа при всех Sts. Возникающая вследствие нелинейности гармоника замедляет рост основного колебания. Колебание с St = 0,3 является предпочтительным в том смысле, что оно может достигать наибольшей из возможных амплитуд, поскольку при этом числе Струхаля в наименьшей степени генерируется гармоника. [c.20] Свойство слоя смешения начального участка турбулентной струи как усилителя колебаний проявляется при достаточно равномерном начальном профиле скорости сильное искажение начального профиля скорости лишает струи этого свойства, что, по-видимому, связано с ослаблением когерентных структур. [c.20] Все крупномасштабные вихри в пределах начального участка [1.8] одинаково влияют на течение вблизи кромки сопла, так как убывание индуцированной вихрями скорости обратно пропорционально расстоянию х, что следует из закона Био- авара и компенсируется соответствующим линейным ростом циркуляции вихрей. На основе этих соображений было развито представление о глобальном механизме обратной связи, возникающей вследствие резкого увеличения циркуляции вихрей во время актов спаривания [1.41]. Бьшо предположено, что каждое спаривание вихрей вдоль течения, сопровождающееся двукратным уменьшением частоты, вызывает отклик на кромке сопла через петлю обратной связи, которая состоит из субгармонической неустойчивой волны, распространяющейся вниз по течению, и акустической волны, распространяющейся вверх по течению. [c.21] Положив здесь с/ о = 0,6 и АГ = 2, получим зависимость St от x/d, которая удовлетворительно согласуется с опытными данными (см. рис. 1.4). [c.22] Многочисленные экспериментальные исследования были также посвящены изучению параметров когерентных структур в основном участке струи. Однако эти структуры не играют сколько-нибудь существенной динамической роли в процессах турбулентного смешения и в периодическом воздействии на струи. [c.22] В обзоре [1.32] приводятся полученные в разных экспериментальных работах оценки вклада кинетической энергии крупномасштабных пульсаций (когерентных структур) в общую величину энергии для ряда базовых струйных течений плоский слой смешения - 20%, начальный участок круглой струи - 50%, основной участок струи - 10%, ближний след - 25%, дальний след - 20%. [c.22] Когерентные структуры образуются в струях и слоях смешения в широком диапазоне чисел Рейнольдса, соответствующем модельным и натурным экспериментам [1.7]. [c.22] Вернуться к основной статье