Турбулентные пульсации давления в гидродинамической акустике (Методы измерений и результаты экспериментов) Кудашев Ефим Борисович

Содержание к диссертации

Введение

Глава 2. Измерение пристеночных турбулентных давлений миниатюрными электроакустическими преобразователями 34

2.1. Минитюрные приемники гидродинамических шумов 34

2.2. Разработка и исследование пьезоэлектрических приемников стержневого типа. Измерения частотных и взаимных спектров пристеночных турбулентных пульсаций давления в аэродинамических и кавитационных трубах, на всплывающих устройствах в условиях глубокого моря, в гидравлических лотках, на струйных установках 52

2.3. Новые методы градуировки электроакустических преобразователей пристенных пульсаций давления 71

2.4. Приемники турбулентных давлений с улучшенной разрешающей способностью 82

Основные результаты главы 91

Глава 3. Определение спектральных компонент турбулентных пульсаций давления в турбулентном пограничном слое при воздействии физических помех 93

3.1. Измерение пристеночных турбулентных давлений при воздействии вибраций 95

3.2. Определение спектральных компонент турбулентных пульсаций при воздействии акустических помех 114

3.3. Исследование турбулентных давлений при воздействии температурной помехи 123

Основные результаты главы 133

Глава 4. Разрешающая способность измерений турбулентных пульсаций давления 135

4.1. Разрешающая способность измерений турбулентных пульсаций 135

4.2. Разрешающая способность пьезоэлектрического приемника пристеночных давлений 140

4.3. Избирательность электроакустического преобразователя в поле турбулентных давлений 160

4.4. Исследование влияния геометрических размеров приемника на измерение частотных спектров гидродинамических шумов обтекания 174

4.5. Экспериментальные исследования разрешающей способности акустического приемника. Измерение частотных спектров шумов обтекания 192

Основные результаты главы 213

Глава 5. Исследования частотно-волнового спектра пристеночных пульсаций давления акустической решеткой 215

5.1. Представление структуры поля пристеночных пульсаций давления в виде частотно-волнового спектра 215

5.2. Волновая фильтрация пульсаций давления акустической решеткой 219

5.3. Измерение частотно-волнового спектра турбулентных давлений решеткой с гармоническим распределением по апертуре 232

5.4. Пространственный спектральный анализ пристеночных пульсаций давления (Компьютерное моделирование) 240

5.5. Пространственный спектральный анализ турбулентных пульсаций давления фазированной акустической решеткой 249

Основные результаты главы 254

Глава 6. Функциональный подход к статистическим измерениям пристеночных турбулентных давлений 256

6.1. Представление поля случайных пристеночных давлений в форме характеристического функционала 256

6.2. Экспериментальный метод исследования характеристического функционала пристеночных пульсаций давления 267

6.3. Экспериментальное определение многомерных функций распределения вероятностей на основе метода характеристического функционала 273

6.4. Исследование многоволновой статистики пристеночных давлений в рамках функционального подхода 278

6.5. Простые функциональные модели турбулентных пульсаций давления 280

Основные результаты главы 287

Заключение 288

Приложение 291

Список литературы 296

• Разработка и исследование пьезоэлектрических приемников стержневого типа. Измерения частотных и взаимных спектров пристеночных турбулентных пульсаций давления в аэродинамических и кавитационных трубах, на всплывающих устройствах в условиях глубокого моря, в гидравлических лотках, на струйных установках
• Определение спектральных компонент турбулентных пульсаций при воздействии акустических помех
• Исследование влияния геометрических размеров приемника на измерение частотных спектров гидродинамических шумов обтекания
• Измерение частотно-волнового спектра турбулентных давлений решеткой с гармоническим распределением по апертуре

Введение к работе

Экспериментальным исследованиям турбулентных пульсаций давления в гидродинамической акустике {Мипиович, Перник, Петровский, 1972; Пет-ровский, 1966) или акустике турбулентных потоков, (по-видимому, впервые этот термин встречается в работе A.M. Обухова 1949 г. {Обухов, 1949; Лям-шев, 1973; Римский-Корсаков, 1983)), посвящено множество публикаций. К числу важнейших работ по изучению пристеночных пульсаций давления относятся исследования, выполненные в нашей стране {Лямшев, 1961; Блюд-зе, Докучаев, 1969; Грешилов, Евтушенко, Лямшев, 1969; Кудашев, 1970; Грешилов, 1972; Кудашев, Камолкин, Степанов, 197f4; Докучаев, 1975; Кудашев, Веребъевский, 1975; Докучаев, 1976; Кудашев, Яблоник, 1977; 1986; Ефимцов, 1978 1980; 1984; Наугольных, Рыбак, 1980; Смолъяков, Ткаченко, 1980; 1991; Мунин, Кузнецов, Леонтьев, 1981; Евсеев, Иванов, Романов, 1981; Кудашев, Яблоник, 1983; 1982; Грешилов, 1983; Римский-Корсаков, 1983; Романов, 1999; Булатов, Романов, 1999, Рыбак, 2001; Голямина, Грешилов, Миронов, Расторгуев, 2001; Смольяков, 2001) и за рубежом {Dyer, 1960; Bakewell, 1964; Gilchrist, Strawderman, 1965; Maidanik, Jorgensen, 1967; Ge/6, \969; Haddle, Skudrzyk, 1969; Blake, 1970; 1986; Ше, C/ ase, 1971; Emmerling, Meier, Dinkelacker, 1973; Willmarth, 1975; Dinkelacker, Hessel, Meier, Schewe, 1977; &?Aewe, 1983; ІееЛеу, 1989; Powe//, 1990; Eckelmann, 1990; Farabee, Casarella, 1991; Robinson, 1991; Lueptow, 1995; Andreopoulos,Agui, 1996; Bull, \996;Fwowcs Wiliams, 1996).

Особое внимание привлекают турбулентные пульсации давления в турбулентном пограничном слое, так как они возникают в результате нелинейных взаимодействий между компонентами вихревых пристеночных

структур. Применительно к задачам гидродинамической акустики принципиальный интерес к турбулентным пульсациям давления определяется как той ролью источника возбуждения структур при обтекании турбулентным потоком и последующем излучении акустических волн, так и новой информацией о структуре турбулентности, которую можно получить по экспериментальным данным о пульсациях давления. В работе (Абсшмов, Рыбак, 1997) высказана идея, что задачу генерации звука в турбулентном пограничном слое вообще нельзя решить, не зная спектров пульсаций давления. В рамках задачи излучения шума турбулентными потоками наиболее широко исследовались турбулентные пульсации давления на аэродинамически (гидродинамически) гладкой пластине, на шероховатой поверхности и на поверхности продольно обтекаемого цилиндра. Взаимодействие турбулентного потока с границей является причиной — в случае пристеночных пульсаций давления в турбулентном пограничном слое — возникновения аэрогидродинамических шумов и вибраций, возбуждаемых потоком. Таким образом, исследование псевдозвуковых пульсаций давления под турбулентным пограничным слоем является важным аспектом физики гидродинамических шумов.

Несмотря на то, что исследователями собран огромный объем фактической информации о турбулентных пульсациях давления, понимание физических процессов в турбулентном пограничном слое остается еще далеко не полным. Основными целями диссертации являются развитие новых общих подходов к задаче диагностики пространственной структуры турбулентных шумов обтекания, поиску более информативных характеристик и развитию новых экспериментальных методов гидродинамической акустики.

Турбулентность развитого пограничного слоя принято рассматривать в пределах области измерений как стационарный случайный процесс, характеризуемый своими пространственно-временными корреляционными функциями. В связи с этим важным этапом развития экспериментальных исследований в гидродинамической акустике стали методы измерений пространст

венно-временных корреляций турбулентных пульсаций, впервые разработанные Фавром в 1946-1957 гг. (Favre, 1965).

Корреляционные методы Фавра основаны на измерении функций пространственно-временной корреляции пульсаций скорости при изменении пространственного разделения датчиков турбулентных пульсаций скорости вдоль по потоку и введении временной задержки сигналов датчиков. В аналоговом корреляторе была использована линия задержки с магнитной записью. В эксперименте в турбулентном пограничном слое случайные сигналы турбулентных пульсаций от двух термоанемометрических проволочных датчиков, установленных вблизи стенки, записывались на магнитную ленту. При проведении корреляционного анализа случайные сигналы воспроизводились с переменной задержкой времени, обеспечивая последовательный корреляционный анализ турбулентных пульсаций. Практически главный результат, полученный Фавром, состоял в том, что, устанавливая два датчика пульсаций скорости на различных расстояниях от стенки и вводя непрерывное изменение временной задержки сигналов теромоанемометрических датчиков, ему удалось реализовать прямые измерения пространственно-временных корреляций пульсаций скорости. Тем самым, при измерении параметров гидродинамической турбулентности были впервые развиты принципы аппаратурного корреляционного анализа.

Метод Фавра нашел широкое применение при измерении корреляционных функций турбулентных пульсаций скорости термоанемометром в турбулентном пограничном слое и на десятилетие вперед определил направление исследований структуры турбулентности. На основе корреляционной методики Фавра, модернизированной после развития средств цифровой обработки сигналов, впоследствии были разработаны различные методы измерения пространственно-временных корреляционных функций турбулентных пульсаций давления, получившие широкое распространение в гидродинамической акустике. Используя аналоговый коррелятор, W.W. Willmarth

выполнил измерения коэффициента продольной автокорреляции пристеночных пульсаций давления в малошумной аэродинамической трубе {Willmarth, 1958). Эксперименты W.W. Willmarth позволили обнаружить конвективную природу и разрушение корреляции компонент турбулентных давлений в турбулентном пограничном слое. Эти измерения позволили установить, что пристеночные пульсации давления переносятся над областью измерений со скоростью порядка Uc = 0,8f/, где U— скорость свободно набегающего потока. Выполненные эксперименты привели W.W. Willmarth к выводу (Willmarth, 1958), что псевдозвуковое воздействие потока на границу представляет собой случайный пространственный процесс, а регистрируемые приемником турбулентных давлений, установленном на стенке, временные частоты пристеночных пульсаций давления — следствие конвекции случайных пространственных масштабов.

Большую роль в развитии современных представлений о поле пристеночных турбулентных давлений сыграли измерения продольной пространственно-временной корреляции пристеночных пульсаций давления W.W. Willmarth and Wooldridge (Willmarth, Wooldridge, 1962). В этих экспериментах авторы с помощью двух приемников давления, установленных на стенке, измеряли поверхность корреляции пристеночных пульсаций давления, показанную нарис. 1.1.

В этих экспериментах исследовалась зависимость коэффициента корреляции пульсаций давления от величины временной задержки и продольного пространственного разделения коррелируемых точек. В измерениях в развитом турбулентном пограничном слое было найдено, что конвективная скорость Uс зависит от пространственного масштаба конвектируемои компоненты пристеночных пульсаций давления.

Результаты экспериментов W.W. Willmarth and Wooldridge, показанные на рис. 1.1, обеспечили трехмерное представление продольной пространственно-временной корреляции пристеночных пульсаций давлений.

Рис. 1.1. Корреляционная структура пристеночных пульсаций давления. (Will marth, Wooldridge, 1962)

Из анализа кривых на рис. 1.1 видно, что пространственная структура поля пристеночных давлений значительно отличается от изотропного. Изо-корреляционный контур пристеночных пульсаций давления вытянут в поперечном потоку направлении. Этот результат авторы объясняют тем, что из-за конвективного переноса вихрей вдоль по потоку возрастает важность вклада мелкомасштабных турбулентных структур в общую энергию турбулентного потока. По данным работы (Willmarth, Wooldridge, 1962) получены оценки пространственных масштабов корреляции, показывающие, что поперечные корреляционные масштабы пульсаций давления значительно больше продольных. На рис. 1.1 можно увидеть два движущихся корреляционных максимума. Главным результатом эксперимента является корреляционный максимум, движущийся вниз по потоку, существование которого связывается с распространением и затуханием турбулентных вихрей. Появление второго максимума, который движется против течения, авторы объяснили влиянием акустического шума, распространяющегося вверх по потоку от диффузора аэродинамической трубы. Учет влияния акустических шумов также является актуальной проблемой измерения пристеночных пульсаций давления в тур

булентных потоках. В диссертации исследуются и предложены методы компенсации физических помех (вибраций, акустических шумов и температурных помех) при экспериментальных исследованиях пристеночных пульсаций давления.

Наиболее полные современные обзоры работ по исследованиям пристеночных турбулентных давлений представлены в публикациях (Willmarth, 1975а; Willmarth, 1975; Смолъяков, Ткаченко, 1980; Обзор ЦАГИ, 1980; Cantwell, 1981; Blake, 1986; Eckelmann, 1990; Powell, 1990; Bull, \996;Fwowcs Williams, 1996). Выполненные измерения пристеночных пульсаций давления в турбулентном пограничном слое показывают, что экспериментальные исследования корреляционных функций турбулентных пульсаций дают обширную информацию о статистической структуре полей турбулентных давлений.

Пристеночные пульсации давления вместо корреляционных функций можно характеризовать с помощью спектральных характеристик, что наиболее удобно при описании частотных свойств случайных полей. Такие спектральные характеристики как спектр мощности и взаимный спектр мощности, связанные преобразованиями Фурье с сответствующими корреляционными функциями, содержат тот же объем информации. Схематическое представление взаимосвязи статистических характеристик случайных полей, предложенное А.В. Смольяковым (Смольяков, Ткаченко, 1980; Мипиович, Периик, Петровский, 1972) для полей турбулентных пульсаций давления, показано нарис. 1.2.

Содержание и взаимосвязь статистических характеристик случайных полей, представленных на рис. 1.2, существенны для экспериментатора как при выборе объекта измерений и проведении экспериментальных исследований турбулентных давлений, так и с точки зрения оценки информативности измеряемого параметра поля. Наиболее полно пристеночные пульсации давления описываются четырьмя многомерными характеристиками, находящимися в центре схемы на рис. 1.2. Это функция взаимной корреляции R(&, т),

А взаимный по пространству частотный спектр Р( , /), взаимный по времени волновой спектр В(к, т) и частотно-волновой спектр или спектр пространственных волновых чисел E(k,J). Многомерные характеристики в центре схемы рис. 1.2 информативно равноправны. Эти функции взаимно связаны преобразованиями Фурье, каждая из этих статистических характеристик несет одинаковую информацию о поле турбулентных давлений. Отметим, что при переходе от одной центральной функции на рис. 1.2 к другой, изменяется только форма представления этой информации. Отметим, что находящиеся на периферии схемы рис. 1.2 статистические характеристики обладают меньшей информацией; они легко вычисляются из функций в центре схемы интегрированием по параметрам (J и т.

\ »

_„ [H gffii —- Що)

\\рЩ

ч\ xv

л..

\

\

\

Є (К о)

B(OtZ)

Е№)

Рис. 1.2. Схема характеристик поля турбулентных давлений

Начальный период экспериментальных исследований пристеночных пульсаций давления характерен измерениями функции пространственно

временной корреляции в двух точках поля при введении переменной задержки т в один из каналов коррелятора. Важным шагом в развитии экспериментальных методов исследования турбулентных давлений явилась разработка метода измерения взаимных по пространству спектров или спектра пространственных корреляций Ppp{ j) пристеночных пульсаций давления в турбулентном пограничном слое (Смолъяков, Ткаченко, 1980). Описание принципов построения анализаторов взаимных спектров и практические вопросы измерения взаимных спектров рассмотрены в работах (Новиков, 1971; 1985). Анализатор взаимного спектра состоит из двух идентичных анализаторов, объединенных общим гетеродином. Каждый анализатор можно рассматривать как узкополосный фильтр. Сигналы на выходе узкополосных анализаторов, перемножаются, интегрируются и записываются на самописце в виде составляющих взаимного спектра при непрерывном изменении частоты гетеродина. Отметим также другой метод измерения взаимного по пространству спектра турбулентных пульсаций, предложенный в работе (Морозов-Ростовский, 1967) и получивший применение в ряде лабораторий.

Взаимный спектр в общем случае является величиной комплексной как преобразование Фурье от нечетной функции; модуль взаимного спектра полностью повторяет по форме спектр мощности пульсаций давления, измеренный в точке ПОЛЯ.

Применительно к гидродинамической акустике характер взаимного спектра мощности пристеночных пульсаций давления Ррр( , J) определяет вид частотно-волнового спектра EPP(k,J) и в задачах физики аэрогидродинамических шумов — практически определяет спектр звукового давления на пластине. Взаимный спектр мощности турбулентных пульсаций давления на пластине тщательно изучался экспериментально. В совокупности именно методами взаимного спектра получены основные результаты по изучению пристеночных турбулентных давлений за последние 30 лет. (См. обзорные публикации (Willmarth, 1975а; б; Cantwell, 1981; Blake, 1986; Bull, 1996).)

Вещественная часть взаимного спектра пристеночных турбулентных пульсаций давления (продольная компонента), измеренная в турбулентном пограничном слое на стенке рабочего участка малошумной аэродинамической трубы (Петровский, 1966), представлена на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Взаимный спектр {Петровский, 1966)

Рассматривая поведение взаимного спектра турбулентных пульсаций давления на рис. 1.3, отметим, что график функции Ppp(9J) представляет затухающую и осциллирующую кривую; отметим также и несовпадение периодов осцилляции. Определяющими параметрами взаимного спектра турбулентных пульсаций давления являются фазовая (конвективная) скорость переноса турбулентных вихрей Uc, частота со, параметры корреляции а, р в представлении Коркоса (1.1) и спектр мощности пристеночных пульсаций давления Рр(со).

На рис. 1.4 и рис. 1.5 представлены результаты измерения Willmarth и Wooldridge продольной и поперечной компоненты взаимной спектральной

плотности, сыгравшие важную роль в установлении представлений о взаимном спектре пристеночных пульсаций давления в турбулентном пограничном слое(Д/а&г, 1986).

1.0

0.9 О

0.6

1—I—I—I—I—I—I I I I I I I Г

SMOOTH WAUL

WILLMARTH AND WOOLDRIDGE1 BULL"

SK.

0.5 -0.4

0.3 0.2 Ц 0.1 %„ " -:

"Т—і—г

a na#n-r сь+п ROUGH WALLS R7? - + &Ъь8 o :

J L

t і і і і

і і і T t it

0 12 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 1Э

Рис. 1.4. Продольная компонента взаимного спектра. Willmarth, Wooldridge

(Blake, 1986)

З

Г5

а. •Є ыг3 иср

Рис.1.5. Поперечная компонента взаимного спектра Willmarth, Wooldridge

(В/а/се, 1986)

В результате обработки экспериментальных данных Willmarth и Wooldridge в работе (Corcos, 1963) Коркос предложил модель взаимного по пространству спектра пристеночных пульсаций давления в виде экспоненциальной функции вида:

\[/((о, х, у) = ехр(/Кх- IOLXI - Iftyl, (1.1)

где со — угловая частота, К = со/С/с1, Uc — конвективная скорость, аир — продольный и поперечный параметры корреляции пульсаций давления при конвективном переносе вихрей.

Модель Коркоса (1.1) получила признание в гидродинамической акустике, была подтверждена экспериментально (Блюдзе, Докучаев, 1969), хотя в дальнейшем и были установлены некоторые ограничения этого представления (Петровский, 1966; Смольяков, Ткачепко, 1969; Миниович, Перник, Петровский, 1972), Значение модели Коркоса состоит в том, что именно на основе этого представления выполнены многие работы, в которых впервые была предпринята попытка поставить вопрос о влиянии протяженного приемника на измерение пристеночных пульсаций давления (Corcos, 1963; Gilchrist, Strawderman, 1965; Петровский, 1966; Миниович, Перник, Петровский, 1972; Cirby, 1969; Geib, 1969; Kennedy, 1975). Актуальность этой задачи определяется тем, что из-за искажающего влияния приемника практически отсутствует возможность сопоставления результатов измерений пристеночных пульсаций давления, выполненных в различных лабораториях.

В диссертации исследуется разрешающая способность приемника конечных волновых размеров при экспериментальных исследованиях пристеночных пульсаций давления. Это одна из наиболее актуальных проблем в задачах гидродинамической акустики, определяющая эффективность акустических методов измерения статистических параметров пристеночных турбулентных давлений. Улучшение пространственного разрешения спектральных компонент пристеночных пульсаций давления и уменьшение сис

тематической погрешности измерения параметров пристеночных давлений является важным направлением исследований в настоящей диссертации.

Отметим также развитие методов исследования турбулентного пограничного слоя с использованием визуализации потока на основе пузырьковых технологий (Cantwell, 1981). Эти методы, разработанные с целью непосредственного наблюдения сложных нестационарных турбулентных движений, привели, в частности, к открытию вихрей Клайна (Offen, Kline, 1974) и к уточнению существовавших тогда представлений о структуре турбулентного пограничного слоя.

Исследования статистической структуры пристенных турбулентных пульсаций давления и изучение динамического воздействия турбулентного потока на обтекаемые поверхности важны прежде всего для развития представлений о природе физических процессов в турбулентном потоке и для понимания причин возникновения гидродинамических шумов и вибраций при турбулентном обтекании. Общепризнанным достижением в современных исследованиях является обнаружение когерентных структур в турбулентности (Robinson, 1991), которые существенно влияют на тонкую структуру псевдозвука в турбулентном пограничном слое.

Фундаментальная проблема акустики турбулентных потоков состоит в установлении связи между характеріїьіми свойствами турбулентного потока и параметрами нестационарной составляющей силового воздействия потока на обтекаемые поверхности, в изучении механизмов и закономерностей формирования динамического турбулентного воздействия, а также в комплексном статистическом описании параметров, существенных для приложений к задачам возбуждения вибраций и звука.

В настоящее время вполне определились актуальные проблемы, связанные с акустическими методами измерения параметров турбулентных давлений. Одна из нерешенных проблем — повышенные требования к точности измерений. Основная трудность при регистрации спектров и корреляций

турбулентных пульсаций связана с плохим пространственным разрешением, присущим приемникам конечных волновых размеров. Многочисленные экспериментальные данные (Смольяков, Ткаченко, 1980) показывают, что традиционные методы измерения пристеночных пульсаций давления в турбулентном пограничном слое могут привести к ошибочным результатам.

Данные, представленные на рис. 1.6, позволяют сделать вывод, что информация об энергонесущих мелкомасштабных пульсациях не может быть получена протяженным приемником из-за осреднения пульсаций давления на чувствительной поверхности приемника.

-40

1—гт-т г

HuIlllWi7 /. .- О..Ї

т—I \ I

і—тип г

» _

Schlocmcr(1966) //! « 0-406

J I I I

-50

-60 г,-70

о

-80

-90

WiUmarth -Wooldridge

iloeroer (1966)- 4 (1962) d/i«-0-33

I til t Ljurv 4 Smooth wall pressure spectra, outer variables: flagged points denote where nJ2l , I.Valucs off, (ft sec) and •/« •: D. 164,0.112; O. 124.0.110; Д, 94. 0.109; 0.73,0.101: from Blake (1970).

Рис. 1.6. Влияние протяженного приемника на измерение пульсаций давления

(Blake, 1986)

Экспериментальные данные, представленные на рис. 1.6 и рис. 1.7, подтверждают, что на высоких частотах результаты измерений пристеночных пульсаций давления, выполненные в различных лабораториях, значительно отличаются друг от друга.

Возникающая систематическая погрешность измерений пульсаций давления обусловлена конечными размерами датчика и препятствует сопоставлению данных, полученных различными исследователями на разных экспериментальных установках.

• - \ \ \ о V ооіл " О ЮО 700 300 400 50О 600 700 800 900 ЮОО Jt

Ь ищп 5 Dependence of the measured root mcan \quarc wall pressure fluctuation upon the ilimciision]c%4 pressure transducer diameter: O- Blake (ІУ70); X, Hmmerlinj! V73i; n.SchlcKmcrn466):AJ)ullU 7i:«.Wil]murtli&Koo4(l%5): V. Bull & Willis 1V6U. ;indO. Harrison (H5H); from К:ттсгІіпІ( 73 .

Рис. 1.7. Зависимость среднеквадратичных значений турбулентных давлений от приемника конечных волновых размеров (Willmarth, 19756)

Данные на рис. 1.7, полученные Emmerling (Willmarth, 19756), представляют экспериментальную зависимость среднеквадратичной величины пристеночных пульсаций давления от размеров диаметра чувствительной поверхности преобразователя давлений. Результаты измерений свидетельствуют, что интенсивность пульсаций давления резко возрастает при учете вклада мелкомасштабных турбулентных давлений.

Однако уменьшение размеров чувствительного элемента преобразователя пульсаций с целью регистрации высокочастотных пульсаций давления само по себе не решает проблемы, так как приводит к падению его чувстви

тельности, в результате чего возрастает искажающее влияние физических помех на регистрацию турбулентных пульсаций давления.

Снижение искажающего влияния электроакустического преобразователя на измерение турбулентных пульсаций явилось определяющим фактором при развитии современных экспериментальных методов исследования турбулентных давлений. Основные усилия здесь должны быть направлены на разработку высокочувствительных миниатюрных приемников турбулентных пульсаций давления, которые позволили бы избежать искажения турбулентных давлений. Другим перспективным направлением в гидродинамической акустике является разработка методов компенсации воздействия вибраций, акустических шумов и температурных помех на электроакустические преобразователи давления. Улучшение разрешающей способности приемников турбулентных пульсаций связано с необходимостью получения несмещенных оценок спектральных плотностей турбулентных давлений из экспериментальных данных. Неразработанность теории пространственной разрешающей способности приемников турбулентных пульсаций давления безусловно ограничивала развитие экспериментальных методов в акустике турбулентных потоков.

Наконец, обратим внимание на еще одну принципиальную проблему. Важным достижением для гидродинамической акустики явились методы прямого определения частотно-волнового спектра турбулентных давлений Epp(KJ): другой центральной функции, представленной на схеме рис. 1.2. Эти методы впервые были развиты в работах G. Maidanik (Maidanik, Jorgensen, 1967; Maidanik, 1967; 1968a; 6; Maidanik, Reader, 1968), предложившего для измерения частотно-волнового спектра использовать решетку приемников (см. рис. 1.8).

Решетка приемников частотно-волнового фильтра представляет собой периодическую структуру с конечным числом элементарных преобразователей давления; приемники размещаются на обтекаемой стенке в направлении

вдоль по потоку с шагом L между центрами элементарных преобразователей. Сигналы на выходе преобразователей суммируются или в фазе или с противоположным знаком, как показано на рис. 1.8, в простейшем случае частотно-волнового фильтра, состоящего из четырех электроакустических преобразователей для двух случаев суммирования сигналов в решетке.

CONVECTING CODIES

CONVICTING PHfSSUHES АГ U,

rRANSOUCEnit1.L3l

О

Z

FLAT. RIGID WALL

SUM OH

OIF ERIMCH

Рис. 1.8. Частотно-волновой фильтр Майданика

Майданик назвал устройство, представленное на рис. 1.8, частотно-волновым фильтром и в цикле работ 1967-1968 гг. показал возможность измерения частотно-волнового спектра EPP(k9f) пристеночных пульсаций давления в области малых волновых чисел.

Подробный анализ работы частотно-волнового фильтра, обеспечивающего подавление турбулентных масштабов в зависимости от настройки фильтра, выполнен в указанном цикле работ G. Maidanik, а также B.C. Петровским в монографии (Мшшович, Перник, Петровский, 1972). На рис, 1.10 представлены волновые характеристики решетки частотно-волнового фильтра, определяющие настройку фильтра и эффективность фильтрации преобразователем волновых векторов (Blake, 1986)

+• - т к Ч к » ... L

о •

+ 4- +

А L

V0 - О

+ - т А L

OIFFER6NCE

ЧДЛ + +

А • L

SUM

Рис. 1.9. Принцип действия пространственного фильтра

k.L • L/X

OlPFEBeNCe

- k,L 2.L/A

Рис. 1.10. Волновая характеристика решетки Майданика (Blake, 1986)

В диссертации реализован новый альтернативный метод пространственного спектрального анализа, обеспечивающий наглядную интерпретацию данных в виде распределения турбулентной энергии по пространственным масштабам пульсаций давления. Метод также обеспечивает подавление акустической помехи от когерентного возбуждения преобразователя.

В некоторых экспериментальных работах, например, в публикациях (Leehey, 1988; Schewe, 1983) сообщалось об отклонении статистики турбулентных пульсаций давления от нормального закона распределения. Приме

ры измерения одноточечной плотности распределения вероятностей протяженными приемниками давления представлены на рис. 1.11 и 1.12.

0.50 0.45 0.40 0.35 0J0 0.23 0.20

ода

0.10 005 О

: А

j \ Сіш«я 4Й(гіЬУ4ІЄ4

/ у - \

-5 -4 -3 -2 -I

Рис. 1.11. Отклонение экспериментального распределения вероятностей

от гауссового {Schewe, 1983)

0.2

(«)

-0.2 . I

(Р1)1

Рис. 1.12. Экспериментальные исследования 3-го и 4-го моментов пристеночных

пульсаций давления {Schewe, 1983)

Представленные на рис.1.11 и 1.12 экспериментальные результаты (Schewe, 1983) демонстрируют ограниченность представлений о том, что при

исследовании пристеночных пульсациях давления всегда можно оставаться в рамках корреляционной теории, когда для описания структуры поля турбулентных пульсаций давления достаточно использовать результаты измерений двухточечных моментов второго порядка. Тем самым была обнаружена перспективность еще одного направления задач гидродинамической акустики: изучение многомерных вероятностных распределений поля турбулентных пульсаций на обтекаемой поверхности.

Отмеченные перспективные направления предопределили выбор задач, положенных в основу данной диссертации. В сущности, в работе развивается комплексный подход к проблемам гидродинамической акустики, включающий в себя разработку как средств измерений (миниатюрные электроакустические приемники турбулентных пульсаций давления и корреляционные блоки преобразователей турбулентных давлений), так и разработку новых методов гидродинамической акустики, в первую очередь, — методов пространственного спектрального анализа, методов измерения пульсаций давления при воздействии физических помех и функционального подхода в акустике турбулентных потоков.

Эти задачи послужили стимулом для проведения исследований, выполненных в данной работе.

Актуальность исследований

За последние десятилетия гидродинамическая акустика достигла заметных успехов в исследовании взаимодействия звуковых волн с турбулентными течениями и физических механизмов генерации звука турбулентным пограничным слоем, возникающим на поверхности упругих объектов в потоке. Интенсивно изучается возникновение шумов и вибраций, возбуждаемых пристеночными пульсациями давления в турбулентном пограничном слое. В связи с задачей излучения шума турбулентными потоками исследование ис

точников аэродинамического шума и роли пристенных пульсаций давления на плоской безграничной жесткой стенке, обтекаемой турбулентным потоком, является важным аспектом физики акустогидродинамических явлений и постоянно привлекает внимание многих исследователей. Выдающаяся роль в развитии гидродинамической акустики принадлежит экспериментальным исследованиям, выполненным в России научными коллективами JLM. Лямшева, B.C. Петровского и B.C. Иванова, А.В. Смольякова и В.М. Ткаченко, В.Н. Романова, В.И. Клячкина, Б.М. Ефимцова,

Е.В. Романенко.

Конечная цель этих исследований заключается в выявлении фундаментальных физических свойств турбулентных полей, в частности, в установлении связи между свойствами потока и параметрами силового воздействия турбулентного потока на обтекаемую границу, а также в разработке методов управления турбулентным шумом. Решение этой важнейшей задачи предполагает изучение статистических характеристик гидродинамических шумов обтекания и, в первую очередь, изучение статистической структуры полей и выделение энергонесущих масштабов турбулентных пульсаций давления, В связи с этим развитие экспериментальных исследований в гидродинамической акустике приобрело особую актуальность и обусловило появление большого количества экспериментальных и теоретических работ, посвященных формированию динамического турбулентного воздействия на обтекаемые поверхности.

Несмотря на интенсивное становление гидродинамической акустики в последние 30 лет, ряд перспективных направлений в экспериментальных исследованиях пристеночных пульсаций давления еще не получил должного развития. К числу таких проблем относятся: восстановление неискаженных значений спектральной плотности пульсаций давления по экспериментальным данным; разработка методов измерения турбулентных давлений при воздействии вибрационных помех, акустических шумов и температурных

флуктуации, разработка методов измерения крупномасштабных компонент частотно-волнового спектра пульсаций давления, пространственное разрешение турбулентных давлений акустическими приемниками конечных волновых размеров. Кроме того, за рамками статистических измерений в акустике турбулентных потоков находятся методы измерений характеристических функционалов и многомерных вероятностных характеристик, в частности, многоточечных функций распределения пристеночных пульсаций давления в турбулентном пограничном слое.

Именно этим актуальным вопросам гидродинамической акустики и посвящена настоящая диссертация.

Цели и задачи работы

Основной целью работы является развитие экспериментальных методов и технических средств исследований гидродинамических шумов обтекания. Данная научно-техническая проблема включает разработку средств измерений, методов регистрации пристеночных пульсаций давления и алгоритмов восстановления статистик полей давлений в турбулентном пограничном слое, практическое применение которых позволит получить экспериментальные данные о структуре пульсаций давления, не искаженные помехами и погрешностями, создаваемыми как самим исследуемым течением, так и работой оборудования.

В соответствии с поставленной целью в работе решаются следующие задачи:

1. Создать приемники пристеночных пульсаций давления с вы сокой разрешающей способностью; провести экспериментальные исследования на основе разработанных миниатюрных приемников статистических характеристик пристеночных пульсаций давления турбулентного пограничного слоя.

2. Разработать методы регистрации без искажения турбулентных пульсаций давления при воздействии вибрационных помех, акустических шумов и температурных флуктуации, создаваемыми как самим исследуемым течением, так и работой оборудования.

3. Провести теоретические и экспериментальные исследования пространственного разрешения пристеночных пульсаций давления турбулентного пограничного слоя акустическими приемниками конечных волновых размеров.

4. Создать методы измерений частотно-волнового спектра турбулентных пульсаций давления,

5. Создать экспериментальный метод изучения характеристических функционалов турбулентных пульсаций давления.

Научная новизна

В диссертации получен ряд принципиальных результатов, важных для развития экспериментальных методов гидродинамической акустики. Во-первых, выполнены теоретические и экспериментальные исследования влияния геометрических размеров приемника на измерение частотных спектров гидродинамических шумов обтекания; впервые в нашей стране разработаны миниатюрные электроакустические приемники турбулентных пульсаций давления; выполнены измерения частотных спектров и взаимных спектров турбулентных давлений в аэродинамических и кавитационных трубах, на всплывающих устройствах, на энергетических установках и гидравлических лотках. Во-вторых, в работе предложены и реализованы оригинальные методы повышения разрешающей способности приемников гидродинамических шумов. В третьих, в диссертации автором разработаны методы определения

спектральных компонент турбулентных пульсаций давления в турбулентном пограничном слое при воздействии вибрационных помех, акустических шумов и температурных флуктуации. В четвертых, в работе автором развиты новые методы измерения частотно-волнового спектра турбулентных пульсаций давления. Наконец, в пятых, в диссертации предложен и апробирован метод экспериментального изучения характеристических функционалов турбулентных пульсаций давления.

Апробация результатов работы и публикации

Основные результаты работы докладывались на отечественных и международных конференциях: на 6, 7, 8, 9 и 10 Всесоюзных акустических конференциях (Москва, 1968, Ленинград, 1971, Москва, 1973, 1977 и 1983 гг.); на 10, 11, 13 Сессиях Российского акустического общества (Москва, 2000, 2001, 2003 гг.); 1, 2 и 3 Всесоюзных Симпозиумах по физике акустико-гидродинамических явлений (Сухуми, 1975, Суздаль, 1979, Ташкент, 1982 гг.); Всесоюзном Симпозиуме «Проблемы турбулентных потоков» (Киев, 1967); 1 и 3 Всесоюзном Совещании «Экспериментальные методы и аппаратура для исследования турбулентности» (Новосибирск, 1968 и 1979 гг.); Втором Всесоюзном Симпозиуме «Методы представления и аппаратурный анализ случайных процессов и полей» (Сухуми, 1980); Всесоюзной конференции «Проблемы турбулентных потоков жидкости и газа» (Донецк, 1984); 9 Всесоюзной школе—семинаре по статистической гидроакустике (Геленджик, 1977); 7 Всесоюзной научно-технической конференции по аэроакустике (Суздаль, 1981); 2 и 3 Дальневосточных акустических конференциях (Владивосток, 1978, 1982); а также международных конференций — Fluid dynamic measurements (Leicester, 1972); Euromech 271: Diffraction of waves by obstacles and inhomogeities in fluids (Киев, 1990); Nonlinear World (Киев, 1989); Euromech 398: Fluid Structure Interaction in Ocean Engineering (Гамбург, 1999); 7lh

International Conference FIV- 2000: Flow Induced Vibration (Люцерн, 2000); ш 24th General Assembly of European Geophysical Society (Гаага, 1999); 17 Inter national Congress Acoustics (Рим, 2001); 16 International Symposium Nonlinear Acoustics ISNA (Москва, 2002); IX European Turbulence Conference ETC 9 (Southampton, 2002); 5th International Symposium on Fluid-Structure Interactions, Aeroelasticity and Flow-Induced Vibrations and Noise (New Orleans, 2002).

Результаты работы докладывались и обсуждались на Санкт- Петербургском Акустическом Семинаре Научного Совета по акустике РАН, семинарах в РЖИ РАН, Акустическом институте им. Н.Н. Андреева, Институте механики МГУ, ИТПМ СО РАН, ЦНИИ имени академика А.Н. Крылова, ВНИИ метрологии имени Д.И. Менделеева, ВНИИ гидротехники им. Б.Е. Веденеева, ЦНИИ «Морфизприбор», а также в Калифорнийском технологическом институте (проф. Рошко, Пасадена, США), Университете Ратгерс т (проф. Забусски, Нью-Брунсвик, США), Массачузетском технологическом

институте (проф. Лихи и проф. Дайер, Бостон, США), Университете Wayne State University (проф. Бердичевски, Детройт, США), Аризонском университете (проф. Ньюэлл, Туссон, США), Мак-Гилл Университете (проф. Докакис, Монреаль, Канада), Институте гидродинамики Макса Планка (проф.Мейер, Геттинген, ФРГ), Институте метеорологии Макса Планка (проф. Хассельман, Гамбург, ФРГ), Институте прикладной физики Мюнстерского университета (проф. Пурвинс, Мюнстер, ФРГ).

Основные результаты диссертации опубликованы в 52 научных работах.

Фактический материал и методы исследований

При решении поставленных задач в работе использованы: 1) результаты экспериментальных исследований турбулентных пульса- $ ций давления акустическими методами в аэродинамических и кавитацион

ных трубах, на всплывающих устройствах в условиях глубокого моря, на энергетических установках и гидравлических лотках;

2) результаты экспериментальных исследований определения спектральных компонент пристеночных турбулентных давлений при воздействии физических помех, расширяющие возможности экспериментального изучения нестационарных аэрогидродинамических процессов;

3) результаты теоретических исследований и численного моделирования крупномасштабных компонент частотно-волнового спектра турбулентных давлений,

4) результаты измерения многомерных функций распределения пристеночных пульсаций давления при обтекании крыловидного профиля;

5) результаты компьютерной обработки обширных массивов данных, приведшие, в частности, к оценке многомерных характеристических функций пульсаций давления.

Личный вклад автора

Автору принадлежит выбор научного направления, проведение экспериментальных и теоретических исследований, получение основных результатов и их интерпретация. Весь фактический материал, на основании которого подготовлена диссертация, получен в результате многолетних исследований автора. К числу основных научных результатов, полученных автором, относятся:

1) результаты измерений спектров мощности и взаимных спектров пристеночных турбулентных пульсаций давления в аэродинамических трубах и на всплывающих устройствах в условиях глубокого моря; результаты разработки миниатюрных приемников гидродинамических шумов с повышенной разрешающей способностью; результаты разработки на основе методов пространственной фильтрации виброустойчивых и шумокомпенсирован

ных приемников турбулентных давлений; результаты измерений спектральных компонент турбулентных пульсаций давления при воздействии вибраций, акустических шумов и температурной помехи;

2) экспериментальные исследования статистических характеристик турбулентных пульсаций давления на аэродинамических стендах, кавитаци- онных трубах и гидравлических лотках, обработка и интерпретация экспериментальных данных, восстановление неискаженных спектров пульсаций давления по данным измерений;

3) результаты разработки новых методов измерения крупномасштабных компонент частотно-волнового спектра пристеночных турбулентных давлений;

4) результаты разработки экспериментального метода оценки характеристического функционала и многомерных характеристических функций турбулентных пульсаций давления; экспериментальная апробация функционального подхода к изучению турбулентных пульсаций давления.

Результаты измерений получены в коллективе соавторов. Личный вклад автора в них определялся постановкой задачи и руководством ее выполнения; созданием и разработкой миниатюрных приемников турбулентных пульсаций давления; равным или преимущественным участием в подготовке и проведении экспериментов, в обработке и анализе экспериментальных данных, получении выводов и написании статей.

Практическая значимость

Ряд результатов, полученных в данной диссертации, нашел практическое применение, в том числе:

— Разработанные в диссертации миниатюрные электроакустические приемники турбулентных пульсаций давлений нашли применение в аэроди

намических и кавитационных трубах, на всплывающих устройствах в условиях глубокого моря, в гидравлических лотках, на струйных установках в ЦНИИ имени академика А.Н. Крылова, ВНИИМ имени Д.И. Менделеева, ВНИИ гидротехники имени Б.Е. Веденеева, ПО «Кировский завод» в Санкт-Петербурге.

— Созданные электроакустические преобразователи турбулентных давлений использованы в системах с активной компенсацией вибраций, акустических шумов и температурной помехи.

— Разработанные в диссертации методы градуировок приемников турбулентных пульсаций и методы повышения пространственного разрешения пульсаций давления приемником конечных волновых размеров нашли применение в ВНИИМ имени Д.И. Менделеева.

— Разработанный автором метод непосредственных измерений частотно-волнового спектра обеспечил изучение распределения турбулентной энергии по характерным масштабам, определение крупномасштабных компонент частотно-волнового спектра, необходимое для расчета вибраций конструкций под воздействием турбулентного потока.

— Разработан метод экспериментального изучения характеристического функционала турбулентных пульсаций давления для исследования вероятностной структуры турбулентных полей давления.

Положения, выносимые на защиту

1. Комплексное исследование гидродинамических шумов обтекания: создание приемников турбулентных пульсаций с высокой разрешающей способностью; способов их градуировки; методов измерений и диагностики турбулентных давлений.

2. Результаты систематических экспериментальных исследований пристеночных пульсаций давления для решения акустикогидродинамических

задач приема акустических сигналов в движущейся среде в условиях турбулентной гидродинамической помехи.

3. Методы регистрации спектра пристеночных турбулентных пульсаций давления, основанные на подавлении вибраций, температурной помехи и акустических шумов. Разработанные методы обеспечивают регистрацию без искажений турбулентных давлений при воздействии помех, порожденных как самим течением, так и работой оборудования.

4. В спектрах пульсаций давления в серии экспериментов на всплывающих устройствах проявляется изменение разрешающей способности приемников пульсаций давления в турбулентном пограничном слое, что приводит к систематической погрешности измерений на высоких частотах. Предложен метод корректировки спектров; метод подтвержден в серии экспериментов на всплывающих устройствах непосредственно на основе измерений пульсаций давления в одинаковых условиях миниатюрными и протяженными приемниками.

5. Алгоритмы регистрации статистик полей давления в турбулентном пограничном слое. Методы измерения частотно-волнового спектра турбулентных пульсаций давления.

6. Экспериментальный метод изучения характеристического функционала пристеночных турбулентных пульсаций давления по отклику приемника давления. Функциональная модель гидродинамических шумов обтекания в виде аддитивной смеси гауссовых и пуассоновых полей. Измерения ограниченного числа параметров поля пристеночных турбулентных пульсаций давления на основе функциональной модели могут служить для восстановления характеристических функционалов турбулентных давлений по результатам измерений.

Структура и объем диссертации

Работа общим объемом 325 страниц состоит из шести глав, заключения, приложения, списка литературы из 299 наименований. Она содержит 8 таблиц и 79 рисунков. В первой главе проводится анализ состояния проблемы экспериментальных исследований пристеночных турбулентных давлений, обосновывается выбор направления исследования и сформулированы цели и задачи диссертационной работы. Вторая глава является базовой и содержит результаты измерений спектров мощности и взаимных спектров пристеночных турбулентных давлений; представлены результаты разработки и исследования миниатюрных приемников турбулентных пульсаций давления с повышенной разрешающей способностью. В третьей главе представлены методы измерений спектральных компонент турбулентных пульсаций давления при воздействии на миниатюрный приемник вибраций, акустических шумов и температурных помех. Четвертая глава посвящена исследованию разрешающей способности электроакустических преобразователей пристеночных турбулентных давлений. В пятой главе представлен новый метод измерения крупномасштабных компонент частотно-волнового спектра турбулентных пульсаций давления. В шестой главе развит экспериментальный метод изучения характеристического функционала пристеночных турбулентных пульсаций давления по отклику приемника давления.

Разработка и исследование пьезоэлектрических приемников стержневого типа. Измерения частотных и взаимных спектров пристеночных турбулентных пульсаций давления в аэродинамических и кавитационных трубах, на всплывающих устройствах в условиях глубокого моря, в гидравлических лотках, на струйных установках

Из анализа кривых на рис. 1.1 видно, что пространственная структура поля пристеночных давлений значительно отличается от изотропного. Изо-корреляционный контур пристеночных пульсаций давления вытянут в поперечном потоку направлении. Этот результат авторы объясняют тем, что из-за конвективного переноса вихрей вдоль по потоку возрастает важность вклада мелкомасштабных турбулентных структур в общую энергию турбулентного потока. По данным работы (Willmarth, Wooldridge, 1962) получены оценки пространственных масштабов корреляции, показывающие, что поперечные корреляционные масштабы пульсаций давления значительно больше продольных. На рис. 1.1 можно увидеть два движущихся корреляционных максимума. Главным результатом эксперимента является корреляционный максимум, движущийся вниз по потоку, существование которого связывается с распространением и затуханием турбулентных вихрей. Появление второго максимума, который движется против течения, авторы объяснили влиянием акустического шума, распространяющегося вверх по потоку от диффузора аэродинамической трубы. Учет влияния акустических шумов также является актуальной проблемой измерения пристеночных пульсаций давления в турбулентных потоках. В диссертации исследуются и предложены методы компенсации физических помех (вибраций, акустических шумов и температурных помех) при экспериментальных исследованиях пристеночных пульсаций давления.

Наиболее полные современные обзоры работ по исследованиям пристеночных турбулентных давлений представлены в публикациях (Willmarth, 1975а; Willmarth, 1975; Смолъяков, Ткаченко, 1980; Обзор ЦАГИ, 1980; Cantwell, 1981; Blake, 1986; Eckelmann, 1990; Powell, 1990; Bull, \996;Fwowcs Williams, 1996). Выполненные измерения пристеночных пульсаций давления в турбулентном пограничном слое показывают, что экспериментальные исследования корреляционных функций турбулентных пульсаций дают обширную информацию о статистической структуре полей турбулентных давлений.

Пристеночные пульсации давления вместо корреляционных функций можно характеризовать с помощью спектральных характеристик, что наиболее удобно при описании частотных свойств случайных полей. Такие спектральные характеристики как спектр мощности и взаимный спектр мощности, связанные преобразованиями Фурье с сответствующими корреляционными функциями, содержат тот же объем информации. Схематическое представление взаимосвязи статистических характеристик случайных полей, предложенное А.В. Смольяковым (Смольяков, Ткаченко, 1980; Мипиович, Периик, Петровский, 1972) для полей турбулентных пульсаций давления, показано нарис. 1.2.

Содержание и взаимосвязь статистических характеристик случайных полей, представленных на рис. 1.2, существенны для экспериментатора как при выборе объекта измерений и проведении экспериментальных исследований турбулентных давлений, так и с точки зрения оценки информативности измеряемого параметра поля. Наиболее полно пристеночные пульсации давления описываются четырьмя многомерными характеристиками, находящимися в центре схемы на рис. 1.2. Это функция взаимной корреляции R(&, т), взаимный по пространству частотный спектр Р( , /), взаимный по времени волновой спектр В(к, т) и частотно-волновой спектр или спектр пространственных волновых чисел E(k,J). Многомерные характеристики в центре схемы рис. 1.2 информативно равноправны. Эти функции взаимно связаны преобразованиями Фурье, каждая из этих статистических характеристик несет одинаковую информацию о поле турбулентных давлений. Отметим, что при переходе от одной центральной функции на рис. 1.2 к другой, изменяется только форма представления этой информации. Отметим, что находящиеся на периферии схемы рис. 1.2 статистические характеристики обладают меньшей информацией; они легко вычисляются из функций в центре схемы интегрированием по параметрам (J и т. временной корреляции в двух точках поля при введении переменной задержки т в один из каналов коррелятора. Важным шагом в развитии экспериментальных методов исследования турбулентных давлений явилась разработка метода измерения взаимных по пространству спектров или спектра пространственных корреляций Ppp{ j) пристеночных пульсаций давления в турбулентном пограничном слое (Смолъяков, Ткаченко, 1980). Описание принципов построения анализаторов взаимных спектров и практические вопросы измерения взаимных спектров рассмотрены в работах (Новиков, 1971; 1985). Анализатор взаимного спектра состоит из двух идентичных анализаторов, объединенных общим гетеродином. Каждый анализатор можно рассматривать как узкополосный фильтр. Сигналы на выходе узкополосных анализаторов, перемножаются, интегрируются и записываются на самописце в виде составляющих взаимного спектра при непрерывном изменении частоты гетеродина. Отметим также другой метод измерения взаимного по пространству спектра турбулентных пульсаций, предложенный в работе (Морозов-Ростовский, 1967) и получивший применение в ряде лабораторий.

Взаимный спектр в общем случае является величиной комплексной как преобразование Фурье от нечетной функции; модуль взаимного спектра полностью повторяет по форме спектр мощности пульсаций давления, измеренный в точке ПОЛЯ.

Определение спектральных компонент турбулентных пульсаций при воздействии акустических помех

Отмеченные перспективные направления предопределили выбор задач, положенных в основу данной диссертации. В сущности, в работе развивается комплексный подход к проблемам гидродинамической акустики, включающий в себя разработку как средств измерений (миниатюрные электроакустические приемники турбулентных пульсаций давления и корреляционные блоки преобразователей турбулентных давлений), так и разработку новых методов гидродинамической акустики, в первую очередь, — методов пространственного спектрального анализа, методов измерения пульсаций давления при воздействии физических помех и функционального подхода в акустике турбулентных потоков.

Эти задачи послужили стимулом для проведения исследований, выполненных в данной работе.

За последние десятилетия гидродинамическая акустика достигла заметных успехов в исследовании взаимодействия звуковых волн с турбулентными течениями и физических механизмов генерации звука турбулентным пограничным слоем, возникающим на поверхности упругих объектов в потоке. Интенсивно изучается возникновение шумов и вибраций, возбуждаемых пристеночными пульсациями давления в турбулентном пограничном слое. В связи с задачей излучения шума турбулентными потоками исследование ис точников аэродинамического шума и роли пристенных пульсаций давления на плоской безграничной жесткой стенке, обтекаемой турбулентным пото ком, является важным аспектом физики акустогидродинамических явлений и постоянно привлекает внимание многих исследователей. Выдающаяся роль в развитии гидродинамической акустики принадлежит экспериментальным ис следованиям, выполненным в России научными коллективами JLM. Лямшева, B.C. Петровского и B.C. Иванова, А.В. Смольякова и В.М. Ткаченко, В.Н. Романова, В.И. Клячкина, Б.М. Ефимцова, Е.В. Романенко. Конечная цель этих исследований заключается в выявлении фундаментальных физических свойств турбулентных полей, в частности, в установлении связи между свойствами потока и параметрами силового воздействия турбулентного потока на обтекаемую границу, а также в разработке методов управления турбулентным шумом. Решение этой важнейшей задачи предполагает изучение статистических характеристик гидродинамических шумов обтекания и, в первую очередь, изучение статистической структуры полей и выделение энергонесущих масштабов турбулентных пульсаций давления, В связи с этим развитие экспериментальных исследований в гидродинамической акустике приобрело особую актуальность и обусловило появление большого количества экспериментальных и теоретических работ, посвященных формированию динамического турбулентного воздействия на обтекаемые поверхности. Несмотря на интенсивное становление гидродинамической акустики в последние 30 лет, ряд перспективных направлений в экспериментальных исследованиях пристеночных пульсаций давления еще не получил должного развития. К числу таких проблем относятся: восстановление неискаженных значений спектральной плотности пульсаций давления по экспериментальным данным; разработка методов измерения турбулентных давлений при воздействии вибрационных помех, акустических шумов и температурных флуктуации, разработка методов измерения крупномасштабных компонент частотно-волнового спектра пульсаций давления, пространственное разрешение турбулентных давлений акустическими приемниками конечных волновых размеров. Кроме того, за рамками статистических измерений в акустике турбулентных потоков находятся методы измерений характеристических функционалов и многомерных вероятностных характеристик, в частности, многоточечных функций распределения пристеночных пульсаций давления в турбулентном пограничном слое. Именно этим актуальным вопросам гидродинамической акустики и посвящена настоящая диссертация. Цели и задачи работы Основной целью работы является развитие экспериментальных методов и технических средств исследований гидродинамических шумов обтекания. Данная научно-техническая проблема включает разработку средств измерений, методов регистрации пристеночных пульсаций давления и алгоритмов восстановления статистик полей давлений в турбулентном пограничном слое, практическое применение которых позволит получить экспериментальные данные о структуре пульсаций давления, не искаженные помехами и погрешностями, создаваемыми как самим исследуемым течением, так и работой оборудования. В соответствии с поставленной целью в работе решаются следующие задачи: 1. Создать приемники пристеночных пульсаций давления с вы сокой разрешающей способностью; провести экспериментальные исследования на основе разработанных миниатюрных приемников статистических характеристик пристеночных пульсаций давления турбулентного пограничного слоя. 2. Разработать методы регистрации без искажения турбулентных пульсаций давления при воздействии вибрационных помех, акустических шумов и температурных флуктуации, создаваемыми как самим исследуемым течением, так и работой оборудования. 3. Провести теоретические и экспериментальные исследования пространственного разрешения пристеночных пульсаций давления турбулентного пограничного слоя акустическими приемниками конечных волновых размеров. 4. Создать методы измерений частотно-волнового спектра турбулентных пульсаций давления, 5. Создать экспериментальный метод изучения характеристических функционалов турбулентных пульсаций давления.

Исследование влияния геометрических размеров приемника на измерение частотных спектров гидродинамических шумов обтекания

В России эти пьезоэлектрические материалы получили название пьезо-керамики ЦТС. Существенно, что пьезокерамика ЦТС работоспособна в широком диапазоне температур: от -180 до +250С; обладает высокими значениями пьезомодулей и коэффициента электромеханической связи. Применение свинцово-содержащих составов пьезокерамики, например, в той же конструкции Виллмарта позволило при чувствительном элементе тех же размеров вдвое увеличить чувствительность измерительного преобразователя (Willmarth, 1962), как показано в табл. ILL

Другой вариант приемника пульсаций давления с улучшенной пространственной разрешающей способностью был разработан Кистлером (Ki-stler, 1964). В конструкции приемника чувствительный элемент был также изготовлен из свинцово-содержащей пьезокерамики PZT и имел форму круглой пластинки-диска диаметром 2,5 мм. Не удались попытки, предпринятые для повышения электрической емкости, смонтировать чувствительный элемент в виде столбика из электрически параллельно соединенных дисков диаметром 2,5 мм, так как тогда в рабочем диапазоне частот измерений пульса-ционных давлений возникали посторонние сигналы-помехи из-за вибраций столбика. Выполненный из одного пьезокерамического диска приемник пульсаций имел чрезвычайно малую электрическую емкость, равную 15 пкф, и мог эффективно работать на частотах 1000-5000 Гц только на специально разработанный согласующий усилитель с входным сопротивлением, превышающим 100x106 Ом.

Приемник Кистлера имел чувствительность 1,5 мкВ/Па. После того, как был устранен «микрофонный» эффект токовыводов от пьезоэлемента — было заполнено свободное пространство внутри корпуса приемника эпоксидной смолой, удалось получить равномерную амплитудно-частотную характеристику чувствительности преобразователя в диапазоне частот от 1 до 600 КГц. Третий вариант приемника пульсаций давления, применявшийся в зарубежных исследованиях, был разработан Клинчем {Clinch, 1966). Чувствительный элемент был выполнен в форме тонкой круглой пластинки (диска) из свинцово-содержащей пьезокерамики PZT диаметром 0,5 мм и толщиной 0,25 мм. Пластинка имеет серебряные электроды на верхней и нижней поверхности диска. Поляризация пьезоэлемента производится в направлении по толщине пластинки между электродами, так что вектор поляризации направлен перпендикулярно электродам. Конструкция приемника Клинча отличается тем, что миниатюрные чувствительные элементы объединены в многоэлементный блок в общем латунном корпусе диаметром 37,5 мм и высотой 12,5 мм. В корпусе была выполнена Т-образная выемка длиной 25 мм, глубиной 0,75 мм и шириной 2 мм. В этой выемке монтируются 19 миниатюрных чувствительных элементов диаметром 0,5 мм; 10 в продольном и 9 в поперечном направлениях, образуя крестообразную фигуру. Затем многоэлементный блок устанавливается в измерительном участке аэродинамического стенда. Преимущество применения многоэлементного блока приемников связано с возможностью проведения непрерывных корреляционных измерений турбулентных давлений как вдоль потока, так и в поперечном направлении относительно средней скорости. При этом не требуется переставлять миниатюрные преобразователи и прерывать эксперимент. Для измерения продольной и поперечной пространственной корреляции пульсаций давления конструкция многоэлементного блока, разработанного Клинчем, обеспечивает изменение расстояния между приемниками от минимального — 0,75 мм до наибольшего — 2,28 мм.

Технология и разработка многоэлементного блока миниатюрных пье-зокерамических приемников пульсаций давления рассмотрена в работе {Clinch, 1966). Изготовление преобразователя Клинча было выполнено под микроскопом при сорокакратном увеличении. Вначале в латунном корпусе блока для установки миниатюрного чувствительного элемента высверлива Глава 2

лось отверстие диаметром 0,5 мм. Корпус нагревался, и посадочное отверстие для чувствительного элемента пропаивалось оловом при температуре припоя 180С, затем после охлаждения корпуса блока пьезокерамические пластинки диаметром 0,5 мм вклеивались в посадочные отверстия проводящей эпоксидной смолой. Электрический вывод от каждого чувствительного элемента был выполнен тонким золотым микропроводом диаметром 0,0025 мм.

Каждый чувствительный элемент собирался из двух идентичных пье-зокерамических пластин. Вторая пьезопластина соединялась электрически параллельно с первой для повышения электрической емкости миниатюрных преобразователей и уменьшения электрического импеданса. Отрицательные токовыводы от пьезоэлементов заземлялись на латунный корпус. Положительные токовыводы через специальный разъем подсоединялись коротким кабелем к согласующему предварительному усилителю с входным сопротивлением Rex =300х106 Ом и коэффициентом усиления 30 дБ. В собранном виде многоэлементный блок миниатюрных приемников заполимеризовывается в эпоксидную смолу, что позволило избежать в эксперименте дополнительных аэродинамических возмущений. Вибродемпфирование чувствительных элементов обеспечено размещением силиконовой резиновой прокладки между отдельными пьезоэлементами и установкой специального круглого резинового кольца между латунным корпусом блока и стенкой аэродинамической трубы в рабочем участке.

Рассмотрим методику градуировки преобразователя пристеночных пульсаций давления, проведенную в работе (Clinch, 1966). Во-первых, многоэлементный блок был установлен на стенке ударной трубы; так была исследована линейность характеристик миниатюрных приемников во всем диапазоне амплитуд ударных волн. Во-вторых, были получены амплитудно-частотные характеристики чувствительности приемников методом сравнения со стандартным конденсаторным микрофоном. Звуковое давление, создавае мое громкоговорителем, при градуировке изменялось от 135 до 160 дБ относительно порога PQ = 2x10"5 н/Па. Миниатюрные приемники имели равномерную амплитудно-частотную характеристику чувствительности в области от 100 Гц до 20 КГц. Чувствительность приемника была 3 мкВ/Па.

В конструкции всех рассмотренных нами вариантов приемников пульсаций давления чувствительным элементом служит тонкая пьезокерамиче-ская пластинка, работающая на продольных колебаниях по толщине в доре-зонансной области частот электроакустического преобразователя.

Работа в диапазоне частот вдали от резонанса обеспечивает практически безынерционность приемника пульсаций давления. Высокая разрешающая пространственная способность достигается уменьшением геометрических размеров приемной поверхности. Компромисс между стремлением получить высокую чувствительность приемника и сохранить максимальное значение электрической емкости определяет толщину пластинки. Как известно, у пьезокерамических пластинчатых приемников давления чувствительность прямо пропорциональна толщине пластинки

Измерение частотно-волнового спектра турбулентных давлений решеткой с гармоническим распределением по апертуре

В торцевой части цилиндрического корпуса блока расположены в ряд по диаметру пять приемников. Приемник динамических нагрузок 1 на элементы гидротехнических сооружений выполнен на основе промышленного полого цилиндра из пьезокерамики ЦТС-19; вектор поляризации направлен по радиусу цилиндра. Механическое воздействие турбулентного потока чувствительный пьезоэлемент воспринимает своей торцевой частью через мембрану 7 и генерирует электрический сигнал, пропорциональный пульсациям давления.

Сборка малогабаритного гидравлического приемника начинается с заделки мембраны 7, выполненной из бериллиевой бронзы в виде колпачка, при помощи эпоксидной смолы в торцевой канавке отверстия в корпусе 2. Затем чувствительный элемент 1 жестко соединяется с гайкой 6 эпоксидным компаундом в специальном приспособлении, выполненном из фторопласта. Далее узел «чувствительный элемент 1 - гайка 6» вворачивается в соответствующее отверстие в корпусе 2 блока приемника до соприкосновения торцевой части чувствительного элемента 1 с мембраной 7.

При этом торцевую часть чувствительного элемента необходимо покрыть эпоксидным компаундом. Токовыводы 3 от пьезоэлемента распаиваются на монтажную плату. Для уменьшения «микрофонного эффекта» при вибрации соединительных проводов токовыводы 3 выполнены тонким проводом диаметром 0,1 мм. Для того чтобы не нарушить пьезоэлектрические характеристики чувствительного элемента, выводы 3 к пьезокерамическому цилиндру 1 припаиваются низкоплавким припоем.

Миниатюрный приемник пульсаций давления с усилительным трактом соединяется посредством специального антивибрационного кабеля 4 марки АВК-3 длиной 0,5 м, заканчивающегося разъемом типа СР-50-74Ф. Герметичность конструкции преобразователя турбулентных давлений обеспечивается пропиткой и полимеризацией всех его соединений эпоксидным компаундом. На объекте измерений пульсаций гидродинамического давления в гидролотке приемник устанавливается при помощи резьбового соединения М8х1.

В эксперименте получена чувствительность гидравлического приемника по давлению (10±10%) мкВ/Па. Собственная резонансная частота пьезо-элемента — 600 КГц. Электрическая емкость равна 2900±100 пкф, что позволило значительно улучшить согласование приемника с измерительной схемой.

Рассмотренная конструкция миниатюрного приемника пульсаций давления в составе пятикаиального комплекса измерительной аппаратуры была использована во ВНИИ гидротехники имени академика Б.Е. Веденеева при модельных исследованиях Саяно-Шушенской ГЭС.

На основе миниатюрных приемников пульсаций давления был разработан и апробирован в натурных условиях преобразователь для измерений гидродинамических пульсаций давления в свободном турбулентном потоке. Преобразователь этого типа был использован в работах ВНИИМ имени Д.И. Менделеева.

В настоящее время при исследовании случайных гидродинамических полей широкое распространение получила практика, при которой приемники турбулентных пульсаций градуируются по детерминированным процессам. Например, определение чувствительности датчиков пульсаций скорости выполняется по средней скорости для градуировки термоанемометра; определение чувствительности датчиков пульсаций температуры проводится по средней температуре в случае градуировки термометра.

Градуировка термоанемометра осуществляется в потоке с известной скоростью течения. Эта скорость в свою очередь определяется каким-либо из традиционных способов измерения скорости. Чаще всего на практике используют трубку Пито-Прандтля или трубку (сопло) Винтури, через которую проходит вода, циркулирующая по замкнутому контуру.

Приемники пульсаций давления принято градуировать по звуковому давлению, которое заранее определяется в акустическом бассейне с помощью образцовых гидрофонов. Противоречие, возникающее при выборе метода градуировки преобразователей пульсаций давления, возникает потому, что приемники, предназначенные для регистрации псевдозвука, градуируют обычными методами, разработанными для акустических преобразователей. Применение акустических методов градуировок для определения чувствительности приемников псевдозвука в ряде случаев на практике может быть оправдано тем, что конструктивно и по принципу работы приемники пульсаций давления относятся к электроакустическим преобразователям.