ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Акустическое возбуждение сверхзвуковых неизобарических струй. Активное управление из "Акустическое управление турбулентными струями " Сверхзвуковая неизобарическая турбулентная струя представляет собой сложный газодинамический объект и характеризуется сильной пространственной неоднородностью полей скоростей и давлений, которая обусловлена наличием системы скачков уплотнения и сдвиговых слоев с большими градиентами скорости. Сильная пространственная неоднородность способствует развитию неустойчивости, приводящей к интенсивным пульсациям скорости и давления, а формирование цепи обратной связи - к развитию автоколебаний, в результате которых в спектрах пульсаций появляются интенсивные дискретные составляющие. [c.178] Течение в сверхзвуковой затопленной струе обычно характеризуют следующими критериями подобия степенью нерасчетности истечения п = = Ра /Роо, числом Маха на срезе сопла Mq = о / о и углом наклона контура сопла в выходном сечении Qq. Здесь ра и роо соответственно статическое давление на срезе сопла и в окружающей среде, uq и ао - скорость истечения и скорость звука. При этом различают три режима п = 1 - расчетный режим, п 1 - режим перерасширения и п 1 режим недорасширения. [c.178] При нерасчетных режимах истечения сверхзвуковая затопленная струя характеризуется системой скачков уплотнения на ее газодинамическом участке. Наличие близкой к периодической системы скачков уплотнения на газодинамическом участке сверхзвуковых нерасчетных струй приводит к волнообразному изменению полного давления вдоль оси струи. За начальным газодинамическим участком следует переходной участок, и, наконец, основной участок с изобарическим течением и максимум скорости на оси струи, как в обычной дозвуковой изобарической турбулентной струе. На рис. 7.1 представлены в качестве примера экспериментальные зависимости изменения давления вдоль оси круглой затопленной струи при Мо = 2,0, 0 = 10° и п = 0,6 1,0 и 2,0, которые характеризуют процесс вырождения неизобаричности [7.4]. Следует отметить, что при истечении струи из сопла Лаваля на расчетном режиме периодическая структура сверхзвуковой струи не реализуется. [c.178] Проблемы аэродинамики сверхзвуковых неизобарических струй подробно рассмотрены в монографиях [7.1,7.2]. Там же излагаются и соответствующие методы расчета. [c.179] Шум сверхзвуковых струй включает ряд составляющих, определяемых источниками различного типа [7.3,7.6,7.14]. Это - шум смешения, излучаемый турбулентными вихрями в слое смешения излучение, создаваемое конвектируемыми со сверхзвуковой скоростью по отношению к внешней среде турбулентными вихрями широкополосная составляющая ударного шума, генерируемая при взаимодействии турбулентности с ударными волнами и, наконец, дискретная составляющая, обусловленная неустойчивостью струи при некоторых режимах течения. [c.179] степени нерасчетности п и степени неизотермичности, равной отношению температуры струи к температуре окружающей среды. Эти параметры оказывают различное влияние на шум различных составляющих, что осложняет анализ данных эксперимента. При нерасчетном режиме истечения для оценки шума смешения вместо скорости истечения реальной струи принимается скорость истечения эквивалентной струи, имеющей тот же расход газа, что и реальная струя, но при статическом давлении на срезе сопла равном давлению в окружающей среде. [c.180] Наиболее интенсивные источники широкополосного шума находятся в переходном участке струи. Угол (р, при котором наблюдается максимум излучения в дальнее поле, увеличивается с ростом скорости истечения и температуры струи. Так, для холодной струи (Мо = 1,5, То = 288 К) угол максимального излучения 25°, а для высокотемпературной струи (Mq = = 3,5, То = 3000К)угол(/ %65° [7.3]. Следует отметить, что если максимум акустического излучения шума смешения соответствует диапазону углов (/3 3 30 - 60°, то широкополосный шум, обусловленный скачками уплотнения, не обладает ярко выраженной направленностью. Интенсивность этого шума определяется интенсивностью скачков уплотнения в струе и практически не зависит от температуры торможения на срезе сопла. В то же время шум смешения возрастает с ростом температуры торможения. Поэтому шум, вызванный скачками уплотнения, в наибольшей степени проявляется для холодных струй и при больших углах (f, где шум смешения относительно мал. [c.180] Суммарная звуковая мощность струн, истекающей из сверхзвукового сопла, при достаточно высоких скоростях истечения пропорциональна третьей степени скорости W а не восьмой степени, как это имеет место для дозвуковых струй [7.6,7.13]. [c.180] При нерасчетных режимах истечения струи, помимо широкополосного шума, может генерироваться дискретная составляющая, частота и интенсивность которой зависит от числа Маха Мо, степени нерасчетности п, степени неизотермичности, наличия спутного потока и других факторов. В некоторых случаях уровень дискретной составляющей существенно превышает уровень широкополосных составляющих и определяет суммарный уровень шума, излучаемого струей. Впервые дискретная составляющая была обнаружена при исследовании истечения струи из сужающегося сопла на нерасчетных режимах истечения [7.17]. С тех пор опубликовано большое число работ по определению зависимости частоты этой составляющей от газодинамических параметров струи [7.3,7.13]. [c.180] Из обобщения результатов экспериментальных исследований [7.8] следует, что дискретная составляющая в спектре шума сверхзвуковой струи в зависимости от числа Маха истечения реализуется в определенном диапазоне степени нерасчетности. С ростом скорости спутного потока частота дискретной составляющей монотонно уменьшается. [c.180] Это обстоятельство следует иметь в виду при анализе материалов главы 8, в которой рассматриваются акустические характеристики системы сверхзвуковых струй, состоящей из центральной струи и окружающих ее периферийных струек, диаметр которых на порядок меньше диаметра центральной струи. В такой системе при п 1 и п 1 дискретная составляющая подавляется или смещается в область высоких частот. [c.181] Рассмотрим некоторые результаты экспериментального исследования воздействия внешнего источника акустических возмущений на сверхзвуковые неизобарические струи. При помощи теневой фотосъемки изучалось поперечное акустическое облучение струи [7.10], истекающий из конического сопла, от газоструйного излучателя (Мо = 2,0, степень нерасчетности п = 0,5-2,0, / = 5-11 кГц, d = 0,02 м). Излучатели располагались на различных расстояниях от оси струи. Уровень звукового давления на срезе сопла L = 156 дБ. Воздействию звука подвергались в основном ближняя к излучателю граница струи. На рис. 7.2 приведена зависимость угла по-лураствора а , ближней границы струи от относительной интенсивности звука, равной отношению интенсивности звука в падающей волне на кромке сопла в отсутствие струи к полному давлению в струе на срезе сопла (Pд ) / /po. На рис.7.2 1,11,111 соответствуют / = 6,5, 8,5 кГц и 11,8 кГц, позициям 1-5 соответствуют степени нерасчетности п = 0,5 0,7 1,0 1,5 и п = 2. Важно отметить, что в указанных экспериментах влияния частоты внешнего воздействия на расширение сверхзвуковой струи не было обнаружено. [c.181] Рассмотрение процесса взаимодействия в динамике по кинограмме процесса показало, что струя не совершает колебаний. Было также установлено, что взаимодействие звука от внешнего источника со сверхзвуковой струей сопровождается излучением струей интенсивного звука, распрастра-няющегося на частоте внешнего воздействия в направлении, составляющем угол 20 - 30° с осью струи. То обстоятельство, что в указанном эксперименте только ближняя граница струи подвергается заметному воздействию, возможно, связано с недостаточно высоким уровнем звукового воздействия на удаленную от излучателя границу струи. [c.181] Для вьтяснения возможности управления структурой и спектром шума сверхзвуковых струй были исследованы изменения, которые происходят в них при внешнем высокоинтенсивном акустическом воздействии на различных частотах [7.7]. Струи истекали из осесимметричных и плоских сопел при Мо = 1,2 - 2,5. Их кинетическая энергия изменялась в диапазоне VFo = 1,74 - 47 кВт. Воздействие звука обеспечивось двумя газоструйными излучателями, которые перекрывали диапазон частот от 10 до 19,5 кГц и имели мощности = 140 и 320 Вт. Источники звука устанавливались в фокусе эллиптического концентратора Oi с эксцентриситетом 0,5. Второй фокус концентратора был направлен на ось струи в точку (рис.7.3), отстоящую от среза сопла на расстояние I. Звуковое давление в точке О2 было равно 170 - 176 дБ. [c.182] Акустическое воздействие на струю оценивалось по изменению спектра шума струи, а также по изменению угла раскрытия основного участка струи а и длины X сверхзвукового участка. Результаты экспериментов показали, что характер поперечного акустического возбуждения сверхзвуковой струи существенно зависит от отношения акустической мощности излучателя к кинетической энергии струи W,/Wq, а также от относительной длины l/h, где h - ширина или диаметр сопла. Оказалось, что при Ws/Wq 1,5% н l/h = 0,6 происходит захват частоты во всем исследованном диапазоне 10 - 20 кГц, т.е. поперечные колебания плоской сверхзвуковой струи происходят с частотой внешнего воздействия. Поэтому в спектре шума наблюдается только составляющая с частотой внешнего излучения. [c.182] На рис.7.4,а приведен спектр шума свободной сверхзвушвой струи, истекающей из плоского сопла при Mq = 2,0. В нем присутствуют дискретная частота / = 8 кГц и кратные ей гармоники. При внешнем звуковом воздействии с частотой / = 11,5 кГц (рис.7.4,б) и / = 18,7 кГц (рис.7.4,в) при отношениях Ws/Wq = 5% и l/h = 0,6 в спектре шума струи наблюдается составляющая с частотой этого воздействия. [c.183] На рис.7.5 представлены зависимости изменения угла раскрытия основного участка осесимметричной струи от давления в форкамере ро при различной частоте / воздействия (рис.7.5,о) и изменения относительной длины сверхзвукового участка при различной частоте воздействия (рис.7.5,6). [c.183] Эффективность воздействия внешнего излучения на сверхзвуковые струи при увеличении l/h падает. Это иллюстрируется зависимостями на рис.7.6 для плоской струи (ро = 3,4 атм, / = 18,7 кГц). Этот вывод согласуется с данными работы [7.11], согласно которой воздействие поперечного акустического облучения сверхзвуковой струи становится особенно ощутимым при акустическом облучении кромки сопла. В этой же работе указывается, что при воздействии на сверхзвуковую струю пилообразных звуковых волн ее ударно-волновая структура может разрушиться, что приводит к значительным изменениям в излучении шума. Так, показано, что при этом (М = 2, п = 0,8, fs = 8,5 кГц и /а = 11,8 кГц) в направлении максимального излучения в области частот вблизи максимума спектра излучаемой акустической мощности наблюдается снижение широкополосного шума на величину до 10 дБ. [c.183] Здесь обращают на себя два обстоятельства. Во-первых, так же.как и в дозвуковых струях, наблюдается широкополосное усиление шума, особенно существенное при St Stj. Во-вторых, в спектрах шума струи частота воздействующего возбуждения никак не проявляется. [c.186] Вернуться к основной статье