Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние исследуемых вопросов 11
Глава 2. Оборудование и методики проведения исследований 18
2.1. Постановка экспериментов по изучению влияния резонаторов на термоакустические колебания в трубе Рийке 18
2.2. Оборудование и методика проведения экспериментов с прямоточной эжекторной камерой сгорания и резонатором при вибрационных режимах горения водорода 23
2.3. Методика обработки экспериментальных данных 28
Глава 3. Влияние резонаторов на термоакустические процессы в установке с локальным теплоподводом 29
3.1. Измерения температуры в трубе Рийке 29
3.2. Акустические измерения в трубе Рийке с резонатором 43
3.3. Результаты Главы 3 54
Глава 4. Влияние резонаторов на работу прямоточной эжекторнои камеры сгорания при вибрационном горении водорода 56
4.1. Влияние продольного размера резонатора на акустические и тяговые характеристики камеры сгорания 57
4.2. Гистерезис акустических и тяговых характеристик камеры сгорания с резонатором 54
4.3. Влияние формы резонаторов на тяговые и акустические характеристики камеры сгорания 68
4.4. Результаты Главы 4 78
Заключение 79
Литература 81
Приложение 91
- Постановка экспериментов по изучению влияния резонаторов на термоакустические колебания в трубе Рийке
- Оборудование и методика проведения экспериментов с прямоточной эжекторной камерой сгорания и резонатором при вибрационных режимах горения водорода
- Акустические измерения в трубе Рийке с резонатором
- Влияние формы резонаторов на тяговые и акустические характеристики камеры сгорания
Введение к работе
Процессы термоакустической неустойчивости газожидкостных потоков в трубах оказывают значительное влияние на динамику течений в сложных системах. Особо важны эти явления для двигателестроения, тепловой и атомной энергетики, криогенного оборудования. Термоакустические колебания могут приводить к нарушению технологических процессов и разрушению конструкций, поэтому резонаторы обычно применяются для подавления колебаний. Отсутствие общей теории, которая позволяла бы анализировать комплексы резонаторов в широком диапазоне частот при больших и малых амплитудах, и при наличии теплопод-вода, делает актуальным исследование влияния резонаторов на термоакустические процессы в установках с локальным теплоподводом.
Исследования вибрационного горения водорода в прямоточной камере сгорания эжекторного типа показали возможность получения силы тяги при нулевых скоростях набегающего потока. Существует перспектива создания устройств на основе прямоточной камеры сгорания для получения тяги при малых скоростях набегающего потока. Это делает актуальным исследования влияния резонаторов на тяговые характеристики прямоточной камеры сгорания эжекторного типа при вибрационном горении водорода.
Целью работы является экспериментальное исследование характеристик одиночного резонатора для управления термоакустическими колебаниями, возникающими в установках с теплоподводом. В качестве установок для проведения экспериментов использовались труба Рийке и прямоточная камера сгорания эжекторного типа с вибрационным режимом горения водорода.
Работа включает в себя следующие направления исследований:
Изучение влияния резонаторов разной формы на температурные и акустические характеристики установки с локальным теплоподводом, в которой возникают низкочастотные термоакустические колебания (труба Рийке). Определение областей возбуждения, подавления или усиления термоакустических колебаний. Выделение геометрических и энергетических параметров, влияющих на режимы работы установки.
Изучение влияния формы резонатора на акустические и тяговые характеристики прямоточной камеры сгорания эжекторного типа при различных режимах вибрационного горения водорода.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитируемой литературы. Объем диссертации составляет 118 страниц, включая 33 рисунка, две таблицы и приложение. Список цитируемой литературы включает 85 наименований.
Во введении обосновывается актуальность исследований, излагаются цели и задачи работы, описывается структура диссертации.
Постановка экспериментов по изучению влияния резонаторов на термоакустические колебания в трубе Рийке
Следует отметить, что проводятся исследования и по активным резонаторам. В работе [24] представлено исследование резонатора с потоком газа через полость резонатора. Представлена математическая модель взаимодействия активного резонатора с акустическим полем камеры сгорания. Показано, что основное поглощение акустической энергии резонатором происходит при образовании нестационарных вихревых структур при истечении струи из резонатора. В практических приложениях чаще всего применяется теория резонатора Гельмгольца, основанная на линейной теории звука с учетом поправок на концевые эффекты [19-24] и рекомендуется при проектировании резонатора закладывать возможность ручной настройки [25]. Такие резонаторы применяются, как устройства для подавления звука в различных помещениях [26,27], строительных объектах [28-31], деталях вентиляционных систем [32, 33] и трубопроводов [34, 35, 36], в машиностроении [37, 38] и т.д. Куда более сложным представляется вопрос подавления термоакустических колебаний при помощи резонаторов в устройствах с подводом тепла, поскольку при расчетах резонаторов обычно используют механико-акустические модели или теорию звука [39] без учета параметров теплоподвода.
Цель проведения экспериментов на трубе Рийке - экспериментальная проверка возможности использования акустических резонаторов для подавления термоакустических колебаний в установке с локальным тепло-подводом и сравнение полученных данных с существующими теориями расчета одиночного звукопоглотителя.
Труба Рийке - вертикально расположенная труба с открытыми концами, в которой термоакустические колебания возникают при прохождении холодного газа через нагретую мелкоячеистую сеточку [1]. Теоретические исследования различных механизмов возбуждения звука представлены в работах [1,40, 41]. Исследования явления Рийке, основанные на применении динамического уравнения состояния, выполнены в работах [42-44]. Основные экспериментальные зависимости были получены в работах [42-49]. В работе [50] представлены результаты экспериментальных исследований по возбуждению звука в трубе Рийке со сдвоенными сетками. Генерация звука в трубе с помощью нагретой и охлажденной сеток, совмещенных вместе, изучалась в работах [55, 56]. Труба Рийке позволяет получать акустические волны большой амплитуды с заданной частотой. Поэтому трубу Рийке удобно использовать для изучения влияния резонатора на работу установки с локальным теп-лоподводом.
Несмотря на то, что общая теория отсутствует, резонаторы довольно успешно применяются на практике для подавления колебаний и в устройствах с теплоподводом. Амплитуда термоакустических колебаний в камерах сгорания может достигать очень больших величин, что приводит к нарушению режимов работы двигателя или к его полному разрушению. Это определило главное направление научных исследований - поиск методов подавления акустических воздействий на технические устройства [19, 57]. В настоящее время резонаторы применяются для подавления колебаний в камерах сгорания современных двигателей [36,37,38].
С 90-х годов в ИТПМ СО РАН проводились исследования силовых характеристик прямоточной камеры сгорания эжекторного типа при вибрационном горении водорода [58, 59, 60]. Используемая эжекторная камера сгорания не являлась эжекторным увеличителем реактивной тяги. В камере сгорания эжектирующим потоком являлось горючее (водород), а эжектируемым - окислитель (воздух). Процессы смешения и горения проходили в самой эжекторнои камере сгорания, что приводило к образованию мощных термоакустических колебаний и развитию тяги. Классическая схема эжекторного увеличителя тяги предполагает, что эжектирующим газом является выхлопная струя реактивного двигателя [41, 62 - 66] и при описании работы эжекторного увеличителя тяги процессы горения в эжекторе не рассматриваются.
Вибрационное горение является автоколебательным процессом и характеризуется высокими уровнями интенсивности звуковых колебаний [40, 61]. Исследования горения водорода в прямоточной эжекторнои камере сгорания [58, 59, 60] показали, что при определенных положениях инжектора и расходах водорода могут реализоваться режимы горения с развитием интенсивных звуковых колебаний. Амплитуда колебаний может достигать величины более 120 дБ. Измерения давления на входе в камеру сгорания показали снижение статического давления при реализации режимов горения с интенсивными звуковыми пульсациями. Измерения продольных сил, действующих на камеру сгорания в условиях, когда скорость набегающего потока равна нулю, показали возникновение силы тяги. Сила тяги приложена к камере сгорания и направлена навстречу истекающим продуктам сгорания. Поскольку система подвода топлива была механически развязана с камерой сгорания, сила тяги не являлась реактивной силой. В тоже время известно, что в стационарных условиях прямоточные воздушно-реактивные двигатели не создают тягу при нулевых скоростях полета [41, 67, 68]. В работах [69, 70] были проведены более детальные исследования обнаруженного эффекта. Величина силы тяги определялась многими параметрами, в частности, геометрией входа в камеру. Были проведены исследования влияния формы входа в камеру сгорания и формы выхода из камеры на ее силовые характеристики. Для выяснения вопроса о месте приложения силы тяги использовались различные типы насадков на входе или выходе из камеры. Было установлено, что местом приложения силы тяги являлся вход в камеру сгорания. Наибольшее значение силы тяги обеспечил конфузорный насадок, имеющий форму тора. В работах [58, 59, 69, 70] было отмечено, что существует корреляция между развитием акустических колебаний и появлением силы тяги. В связи с чем, было высказано предположение, что при помощи акустического резонатора, размещенного на камере сгорания, можно влиять на амплитуду звуковых колебаний и получать тягу. Исследование влияния резонатора на амплитуду звука и тягу представлено в работах [72 - 77], в которых было показано что, усиливая при помощи резонатора интенсивность звуковых колебаний можно увеличить величину силы тяги в два раза по сравнению с камерой без резонатора. Кроме этого, в тяговых и акустических характеристиках камеры сгорания был обнаружен эффект гистерезиса по расходу водорода, который описан в работах [78 - 82]. В области гистерезиса величина удельной тяги камеры сгорания с резонатором может достигать значения / 4500 м/с. [82].
Оборудование и методика проведения экспериментов с прямоточной эжекторной камерой сгорания и резонатором при вибрационных режимах горения водорода
В разделе представлены схема установки и методика проведения экспериментов по изучению влияния резонаторов на тяговые характеристики камеры сгорания. На рис. la показана схема установки, на рис. 16 - камера сгорания с конфузором, внутренняя поверхность которого имела форму поверхности тора с наибольшим диаметром 35 мм и длиной 17 мм.
Камера сгорания состояла из нескольких цилиндрических элементов, к одному из которых присоединялся резонатор. Перестановка элементов позволяла менять положение резонатора на камере сгорания, при этом длина цилиндрической камеры сгорания L менялась от 147 мм до 150 мм. LK - положение иглы инжектора водорода относительно среза камеры. Инжектор механически не связан с камерой сгорания. На рис. 1в показаны два сменных резонатора, имеющие вид цилиндрических трубок с диаметрами d= 11 мм и d= 19 мм. В каждом резонаторе размещался поршень, положение которого изменялось при проведении экспериментов. Резонаторы присоединялись к камере сгорания через цилинд рический переходник высотой 15 мм. Ось резонатора перпендикулярна оси камеры сгорания. Длина полости резонатора с d = 19 мм в экспериментах выбиралась исходя из равенства объемов обоих резонаторов. Размеры резонаторов представлены в таблице 1. Где: d - внутренний диаметр резонатора, LJ2L - продольный размер резонатора, Vp - суммарный объем полости резонатора и цилиндрического переходника.
Резонаторы присоединялись к камере сгорания в точках Lp/2L = 0.137, 0.251 и 0.362 (вблизи входа в камеру, в середине и вблизи выхода из камеры сгорания соответственно).
При проведении экспериментов камера сгорания закреплялась на пантографе так, что имелась возможность только продольного перемещения. Продольная сила (тяга или сопротивление) F регистрировалась тен-зовесами. Измерения амплитуды звуковых колебаний А выполнялись с помощью конденсаторного микрофона М-101. Сигнал с микрофона выводился на ИШВ-1. Микрофон был установлен на расстоянии 75 мм пе ред входом в камеру сгорания. Расход водорода Q определялся по перепаду давления на гидросопротивлении с помощью преобразователя разности давлений Сапфир-22ДЦ. Верхний предел измерений АР=0.16 МПа, выходной сигнал 1ВыХ=20 мА. Предел допускаемой основной погрешности у=± 0.25- 0.5%. Все показания приборов выводились и записывались на 12-ти канальном шлейфовом осциллографе Н-117. Запись производилась на специальную фотобумагу. Для отклонения записывающих лучей в осциллографе применялись рамочные гальванометры. Для записи расхода водорода использовался гальванометр МО 14-1200 с рабочей полосой частот f=0-r750 Гц, для записи амплитуды звуковых колебаний применялся МО 14-10000 с г==0ч-7000 Гц, для записи значений продольной силы использовался гальванометр М014-2500 с гЧЫбОО Гц.
В экспериментах получали регистрограммы, которые условно можно разделить на два вида. Образец регистрограммы первого вида показан на рис. 8. Это пример регистрограммы, на которой наблюдается простая
. Регистрограмма первого вида, связь между изменением расхода водорода Q , силы F и амплитуды зву ка А Сплошными линиями показаны записи изменения параметров в эксперименте, пунктиром - осреднение, которое использовалось при обработке экспериментальных данных. Затемненная область - запись амплитуды звуковых колебаний A. F и F + - запись силы сопротивления и тяги соответственно, Q -объемный расход газообразного водорода при нормальных условиях, t - время записи. Вертикальная штрихпунктирная линия делит рисунок на две области. Область слева от линии - зона увеличения расхода водорода (зона I), область справа - зона уменьшения расхода водорода (зона II). Точки 1, 2, 2, 1 - точки смены режимов горения при переходе из зоны І в зону II. По аналогии с работой [40] в экспериментах можно было выделить несколько стадий горения. Первая стадия-режим горения, при котором амплитуда звука меньше 100 дБ. Вторая стадия, при которой происходил переход к автоколебаниям с амплитудой от 100 до 120 дБ, - режим вибрационного горения. Далее наблюдался скачкообразный переход к режиму горения, при котором регистрировалась амплитуда звука выше 120 дБ. Этот режим в работе был обозначен, как режим развитого вибрационного горения. Точки 1 и 2 соответствуют точкам перехода к режимам вибрационного и развитого вибрационного горения, точки 2 и 1 - точкам выхода из режимов развитого вибрационного и вибрационного горения.
Акустические измерения в трубе Рийке с резонатором
Зависимость температуры Т от размера полости резонатора LJ2LT показана на рис. 10б. Здесь: Т = {2njSj) T(r)rdr - осредненная по сечению трубы температура потока. При осреднении температуры предполагалось, что температура между соседними точками измерения меняется по линейному закону.
При развитии звуковых колебаний наибольшее значение температуры воздуха Т 180 С зарегистрировано в точках с радиальной координатой R/Rr ±0.5 (см. рис. 106). При этом наблюдалось увеличение средней температуры потока в трубе. Наибольшее значение средней температуры потока Т -116 С получено при размере полости резонатора LJ2LT -0.045 (см рис. 10е). При осевой симметрии такое распределение температуры соответствует образованию кольцевой зоны нагретого воздуха в пристеночной области. При подавлении колебаний с помощью резонатора наибольшая температура воздуха Г 190 С регистрировалась на оси трубы при размерах резонатора Ln/2LT 0.07. Значение средней температуры при этом меньше 100 С.
Из результатов работ [15, 19] известно, что в непосредственной близости от концов горла резонатора при относительно небольших амплитудах колебаний устанавливается стационарная картина вторичных потоков, похожих на вихревые кольца. Увеличение амплитуды приводит к изменению вращения вихрей. При еще больших амплитудах колебаний давления к вихревой структуре добавляются струи воздуха из горла резонатора. С дальнейшим ростом амплитуды вихревая структура исчезает, а струйное течение усиливается. Пока не ясно, какую роль в изменении температурного поля в трубе играет течение возле горла резонатора. Вполне возможно, что основное влияние на изменение тем пературы потока оказывают акустические колебания. Колебания могут возникать в установках и без резонаторов.
На рис. 11 представлены данные, полученные в эксперименте на трубе Рийке без резонатора при мощности тока на нагревателе W 580 Вт. Через 80 с после начала эксперимента производилось выключение нагревателя (/Выкл 80 с).
На рис. Па показана зависимость амплитуды звуковых колебаний от времени /, прошедшего с начала эксперимента. Возникновение колебаний наблюдалось при / 57 с, исчезновение - при / — 117 с. Наибольшее значение амплитуды Ampl 96 дБ регистрировалось при / 80 с. В этот момент времени средняя температура потока Т 87 С. На рис. 116 изменение температуры потока Г показано изолиниями в области параметров RIRT и t. В точке возникновения колебаний наибольшее значение температуры воздуха Т 120 С наблюдалось на оси трубы при средней температуре Т -60 С. При / 100 с наибольшая величина Г 160 С регистрировалась в точках с радиальной координатой R/Rr ±0.5. Средняя температура потока воздуха Т 93 С. При исчезновении колебаний наибольшая температура воздуха Г 130 С наблюдалась в точках с координатой RJRT ±0.5 при Т -77 С. На рис. Не представлена зависимость средней температуры Т от времени /. Наибольшее значение Т 97 С было получено в области колебаний для / 95 с. На рис. 11 видно, что после включения установки происходит нагревание потока (интервал времени / 0 -60 с). Наибольшая температура воздуха регистрировалась вблизи оси трубы, и средняя температура достигала величины Т 60 С. В интервале времени от / 57 с до / 70 с увеличение средней температуры потока от Т 60 С до Т 78 С. Параметры потока в трубе без резонатора при увеличении теплопод-вода показаны на рис. 12. Эксперимент проведен по схеме описанной выше. Мощность тока на нагревателе W 660 Вт. На рис. 12а показана зависимость амплитуды звуковых колебаний от времени t, прошедшего с начала эксперимента. Возникновение колебаний происходило при / 57 с, исчезновение - при / 127 с. Наибольшее значение амплитуды Ampl 112 дБ регистрировалось при / 80- 90 с. В эти моменты времени средняя температура потока Т 95 -98 С. На рис. 126 представлена зависимость средней температуры Т от времени /. Наибольшее значение Т 106 С было получено в области колебаний при / 105с. При этом наибольшая температура потока Т -200 С регистрировалась для R/RT ±0.5. Величина амплитуды колебаний Ampl 84 дБ. В эксперименте с fF-ббОВт изменение радиального распределения температуры Т по времени качественно совпадает с изменением распределения Г для W 580 В. Сравнение рис. 11 и рис 12 показало, что увеличение мощности тока на нагревателе приводит только к росту величины амплитуды звука и увеличению средней температуры потока. Картины изменения амплитуды колебаний и температуры потока в трубе дополняются данными, представленными на рис. 13. Мощность тока на нагревателе W 580 Вт. Нагреватель в ходе эксперимента не выключался. На рис. 13а показана зависимость амплитуды звуковых колебаний от времени /, прошедшего с начала эксперимента. Возникновение колебаний происходило при / 60 с. Постоянное наибольшее значение амплитуды Ampl- 112 дБ регистрировалось при t 130 с. При этом наибольшая средняя температура потока достигала величины Т 110 С.
Влияние формы резонаторов на тяговые и акустические характеристики камеры сгорания
На рисунке светлые области показывают области развития термоакустических колебаний, темные - отсутствие колебаний. Переход между черной и светлой областями - это точки подавления колебаний. На рис. 20а представлены данные экспериментов с мощностью тока на нагревателе W 580 Вт. Выделяются две области: область развития колебаний (зона 1) и область отсутствия колебаний, которая образуется после подавления колебаний при помощи резонатора. Наибольшая амплитуда колебаний Ampl 105 дБ. При увеличении мощности тока до величины Jf-ббОВт происходит повторное развитие колебаний (см. рис. 206). Образуется картина, состоящая из трех областей: область развития колебаний (зона 1), область подавления колебаний и область повторного возникновения колебаний (зона 2). Наибольшая амплитуда колебаний Ampl -ПО дБ. При дальнейшем увеличении подводимой мощности тока {W 830 Вт) происходило увеличение размеров зоны 2. Это показано на рис. 20е. При этом наибольшая амплитуда колебаний достигала величины Ampl 115 дБ. Как было показано на рис. 19, теоретические оценки величин Ln/2LT, необходимых для подавления колебаний, дают завышенные результаты. При мощности тока на нагревателе Ж 580Вт размеры полости резонатора LJlL-x, рассчитанные без учета теплоподвода, будут находиться в области подавления колебаний (см. рис. 20а). В этом случае возможно использование теоретических оценок размеров резонатора и без учета теплоподвода. Использование резонатора с большой полостью LJlLj приводило к подавлению колебаний. При увеличении мощности тока на нагревателе наблюдалось повторное развитие колебаний, которые при меньшей мощности тока удавалось подавить при помощи резонатора. В зависимостях амплитуды звука от параметров резонатора возникает вторая зона акустических колебаний (см. рис. 206 и рис. 20 ?). Существует пороговая величина мощности тока на нагревателе, выше которой всегда наблюдалось образование зоны 2. На данной установке - это величина JF-660 Вт. Использование резонаторов с завышенными значениями размеров полости LJ2LT, полученными с помощью теоретических оценок без учета теплоподвода, может сопровождаться развитием колебаний. На рис. 21 приведены осциллограммы и спектры частот для первой и второй зоны колебаний. Представлены результаты экспериментов с резонатором с dT/2LT = 0.002 и Lr/2Lr= 0.025. На рис. 21а показаны осциллограммы и амплитудно-частотные зависимости, полученные при мощности тока на нагревателе W 660 Вт. В зоне 1 наблюдалась основная частота колебаний / 170.9 Гц с амплитудой колебаний Ampl 65 дБ, в зоне 2 - частота / 174 Гц с Л/и/?/-67 дБ. На рис.216 представлены данные, полученные при мощности W 830 Вт. Увеличение мощности тока привело к увеличению амплитуды колебаний в зоне 1. Получена основная частота колебаний в зоне 1 / 170.9 Гц при Ampl 11 дБ. В зоне 2 значение основной частоты / 177 Гц при Ampl 72 дБ. Наблюдалось появление второй гармоники колебаний с/ 350 Гц при амплитуде Ampl 10 дБ. Представленные на рис. 21 данные показали, что колебания в зоне 1 соответствуют колебаниям в трубе Рийке без резонатора. Увеличение теплоподвода привело к увеличению амплитуды колебаний. При этом основная частота колебаний в зоне 1 не изменилась. При возникновении колебаний в зоне 2 наблюдалось увеличение частоты первой гармоники. К увеличению частоты в зоне 2 приводило и увеличение теплоподвода. В работе [57] показано, что при периодическом тепловыделении в газовой среде возможно одновременное возникновение двух эффектов. Первый эффект - увеличение амплитуды колебаний, когда тепло добавляется в фазе с давлением (критерий Рэлея). Второй эффект -увеличение частоты колебаний, если тепло добавляется к газу в четверть периода перед достижением максимального давления. При увеличении мощности тока в зоне 2 (см. рис. 216) наблюдалось некоторое увеличение амплитуды второй гармоники. При этом с ростом амплитуды второй гармоники происходило уменьшение амплитуды первой гармоники. Эти данные находятся в согласии с результатами работы [44], в которой было отмечено, что основную энергетическую нагрузку в трубе Рийке с одним нагревателем несут первая и вторая гармоники и основной обмен энергией происходит между ними. В экспериментах с резонатором основной несущей гармоникой колебаний являлась первая гармоника (основная частота колебаний в трубе Рийке). Амплитуда второй гармоники намного меньше амплитуды первой гармоники. Отклонение значений основной частоты в экспериментах с резонатором от основной частоты колебаний в трубе Рийке (/"- 170 Гц) не превышает 5%. Поэтому, можно утверждать, что резонатор не оказывал существенного влияния на частоты колебаний в трубе.
На рис. 22. приведены размеры резонатора, при которых в экспериментах получалось подавление или возбуждение звука. По оси абсцисс отложены значения объема горла резонатора VT, по оси ординат - значения объема полости резонатора Vn. Данные получены в экспериментах с мощностью тока на нагревателе 830 Вт.
