Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Постановка задачи определения пространственно-временной структуры неоднородных полей пульсаций давления .
1.1. Общие сведения о пространственно-временной структуре неоднородных полей пульсаций давления 30
1.2. Применение теории подобия к описанию неоднородных полей пульсаций давления 38
1.3. Обзор используемых экспериментальных установок и основных систем измерений 42
Глава 2. Экспериментальные исследования в обеспечение методических вопросов измерения пульсаций давления 55
2.1. Оценка искажений регистрируемых уровней, индуцируемых выступанием (углублением) приемников .61
2.2. Влияние защитной сетки приемника на регистрируемые спектральные уровни 72
2.3. Оценка погрешностей измерений 82
Глава 3. Параметрические экспериментальные исследования по определению характеристик неоднородных полей пульсаций давления в окрестности конфигурации «прямой уступ-обратный уступ» (без учета глобальной корреляции) 86
3.1. Определение характеристик полей пульсаций давления перед конфигурацией прямой уступ и за конфигурацией обратный уступ .94
3.2. Трансформация полей пульсаций давления при изменении угла наклона передней и задней стенок и угла скоса потока 105
3.3. Влияние относительного расположения зон рециркуляции на распределение полей пульсаций давления вокруг конфигурации «прямой уступ-обратный уступ» 113
3.4. Особенности структуры полей пульсаций давления в окрестности плохообтекаемых тел (цилиндров) 124
Глава 4. Глобальная корреляция полей пульсаций давления перед конфигурацией «прямой уступ-обратный уступ» и в следе за ней. Расчетная модель неоднородных полей пульсаций давления конфигурации «прямой уступ-обратный уступ» 133
4.1. Экспериментальные исследования по определению характеристик глобальной корреляции конфигурации «прямой уступ-обратный уступ» 134
4.2. Расчетная модель полей пульсаций давления конфигурации «прямой уступ-обратный уступ» .153
Глава 5. Неоднородные поля пульсаций давления в окрестности градиентных течений 166
Глава 6. Условия возникновения аэроакустических резонансов глубоких полостей .188
6.1. Параметрические экспериментальные исследования резонансного возбуждения воздушной полости 194
6.2. Обобщение экспериментального материала 203
Глава 7. Экспериментальные исследования по определению неоднородных трехмерных полей пульсаций давления на обтекаемых моделях .. 214
7.1. Влияние угла атаки на индуцирование трехмерных полей пульсаций давления осесимметричными моделями носовых конфигураций .216
7.2. Определение характеристик неоднородных трехмерных полей пульсаций давления с моделью реальной носовой конфигурации МС-21 221
Глава 8. Методика и экспериментальное определение длинноволновых компонент частотно-волнового спектра полей пульсаций давления.231
Глава 9. Применение расчетных моделей неоднородных полей пульсаций давления к оценке шума в салоне МС-21 263
9.1. Постановка задачи колебаний упругой тонкостенной конструкции фюзеляжа под действием случайной нагрузки 264
9.2. Определение форм и частот собственных колебаний 269
9.3. Оценка уровней шума в салоне самолета МС-21 на режиме крейсерского полета 277
Заключение .294
Список литературы .
- Общие сведения о пространственно-временной структуре неоднородных полей пульсаций давления
- Влияние защитной сетки приемника на регистрируемые спектральные уровни
- Трансформация полей пульсаций давления при изменении угла наклона передней и задней стенок и угла скоса потока
- Расчетная модель полей пульсаций давления конфигурации «прямой уступ-обратный уступ»
Введение к работе
Актуальность работы
В работе представлены результаты экспериментальных исследований пространственно-временной структуры неоднородных полей пульсаций давления на поверхности самолета. Результаты исследований пространственно-временной структуры неоднородных полей пульсаций давления на поверхности самолета являются актуальными и востребованы при решении задач, связанных с повышением конкурентоспособности самолетов по уровню акустического комфорта в пассажирских салонах и обеспечением усталостной прочности конструкции и безопасности самолетов.
На гладкой обтекаемой поверхности планера летательного аппарата под воздействием турбулентности в невозмущенном безградиентном пристеночном пограничном слое формируется однородное поле пульсаций давления. Основные характеристики этого поля слабо меняются в пространстве. Наличие на поверхности и в поле течения локальных неоднородностей вызывает образование дополнительных возмущений в пограничном слое, которые трансформируются в дополнительные локальные поля пульсаций давления на поверхности. Эти дополнительные возмущения наблюдаются в зонах с повышенными градиентами статического давления, в окрестностях геометрических неоднородностей, в области локальных сверхзвуковых зон.
Локальные поля пульсаций давления на поверхности являются пространственно неоднородными, поскольку основные характеристики дополнительных возмущений изменяются по пространству в существенно большей степени, нежели характеристики поля пульсаций давления от невозмущенного пограничного слоя.
Цель работы:
получение обобщенных универсальных зависимостей вероятностных характеристик неоднородных полей пристенных пульсаций давления от конструктивных и осредненных параметров поверхности и потока над ней;
определение относительного вклада неоднородных полей пульсаций давления в уровень шума в салоне современного скоростного пассажирского самолета.
Основные задачи, которые стояли при реализации поставленной цели исследования
определение пространственно-временной структуры неоднородных полей пульсаций давления в окрестности мелкомасштабных геометрических неоднородностей - конфигураций «прямой уступ-обратный уступ» и построение расчетных моделей этих полей;
определение пространственно-временной структуры неоднородных полей пульсаций давления в окрестности градиентных течений и построение на этой основе расчетной модели таких полей;
проведение параметрического анализа полей пульсаций давления в глубокой полости, соответствующей типовой конфигурации стыка двери и
фюзеляжа гражданского самолета и определение на этой основе условий возникновения аэроакустических резонансов;
определение пространственно-временной структуры конвектирующих неоднородных трехмерных полей пульсаций давления, создаваемых распространяющимися от носовой части возмущениями, и прогнозирование характеристик этих полей на поверхности ЛА;
определение длинноволновых компонент частотно-волнового спектра пульсаций давления в области малых и средних чисел Струхаля;
определение искажений регистрируемых приемником пульсаций давления величин в обеспечение экспериментальных исследований по определению характеристик неоднородных полей;
прогноз вклада неоднородных полей пульсаций давления на поверхности фюзеляжа в уровни шума в салоне самолета.
Методы исследования, достоверность и обоснованность результатов
В работе использованы экспериментальные методы исследования, а
также моделирование физических процессов на основе теории подобия.
Достоверность результатов экспериментальных исследований обеспечена
использованием экспериментальных установок, регистрирующей,
анализирующей аппаратуры и управляемых координатных систем, удовлетворяющих требованиям, предъявляемым к прецизионным измерениям, а также методической проработкой основных вопросов по измерениям пульсаций давления, в том числе в неоднородных полях. Достоверность экспериментальных результатов трубных испытаний, а также правильность построенных расчетных моделей доказывается согласованием с результатами летных измерений.
Научная новизна работы состоит в том, что
- установлены вероятностные характеристики неоднородных полей
пульсаций давления в области локальной неоднородности поверхности в виде
прямого и обратного уступов. Определено влияние основных геометрических
параметров уступов на пространственно-временную структуру этих полей.
Построена расчетная модель полей пульсаций давления перед конфигурацией
«прямой уступ-обратный уступ» и в следе за ней;
выявлено новое явление - существование глобальной корреляции полей пульсаций давления в окрестности локальной неоднородности типа «прямой уступ-обратный уступ» и в следе за ней и получены обобщенные корреляционные характеристики. Построена расчетная модель полей пульсаций давления перед конфигурацией «прямой уступ-обратный уступ» и в следе за ней с учетом глобальной корреляции;
для поля пульсаций давления, образующемся на обтекаемой поверхности при градиентном пограничном слое, установлено наличие области изменения градиента, в которой основные характеристики поля пульсаций давления определяются локальными осредненными аэродинамическими параметрами пограничного слоя. Получена зависимость структуры поля пульсаций давления от величины безразмерного градиента за пределами данной области;
- определены основные физические механизмы резонансных колебаний
в полости в местах стыка двери и фюзеляжа и установлены условия
возникновения этих резонансов;
- получены вероятностные характеристики полей пульсаций давления,
формирующихся при обтекании носовой части фюзеляжа самолета.
Установлены условия образования трехмерного неоднородного поля пульсаций
давления под воздействием распространяющихся в пограничном слое
возмущений;
- разработана методика прогнозирования длинноволновых компонент частотно-волнового спектра в области малых чисел Струхаля при дозвуковой скорости потока;
- установлена определяющая роль вязкого масштаба турбулентного
пограничного слоя в искажении результатов измерений пульсаций давления на
жесткой поверхности с помощью датчика конечных размеров и
идентифицированы физические явления, возникающие при взаимодействии
воздухопрозрачных защитных сеток с потоком.
Соответствие паспорту специальности. Содержание диссертации соответствует паспорту специальности 01.02.05 «Механика жидкости, газа и плазмы», в частности, следующим областям исследований:
-
Ламинарные и турбулентные течения.
-
Аэродинамика и теплообмен летательных аппаратов.
-
Пограничные слои, слои смешения, течения в следе.
-
Линейные и нелинейные волны в жидкостях и газах.
-
Экспериментальные методы исследования динамических процессов в жидкостях и газах.
Научная значимость работы определяется тем, что открыто несколько новых явлений – глобальная корреляция неоднородных полей пульсаций давления, модификация полей пульсаций давления при сближении зон рециркуляции в окрестности выступов, формирование трехмерного поля пульсаций давления, обусловленного распространяющимися возмущениями, оценена величина частотно-волнового спектра в области малых чисел Струхаля. Построенные универсальные зависимости характеристик неоднородных полей пульсаций давления от конструктивных и осредненных аэродинамических параметров являются основой для верификации аналитических и численных методов прогноза.
Практическая ценность работы определяется тем, что ее выводы, положения и результаты вносят существенный вклад в вопросы конструирования гражданских самолетов, позволяют правильно учитывать интенсивность и структуру силовых воздействий от неоднородных полей пристенных пульсаций давления и тем самым уточнить требования к составу бортовой конструкции современных скоростных гражданских самолетов.
На защиту выносятся
1. Результаты экспериментальных исследований и их обобщение для пульсаций давления перед прямыми и за обратными уступами.
-
Новые явления, обусловленные наличием взаимной корреляции полей пульсаций давления перед конфигурацией «прямой уступ-обратный уступ» и в следе за ней.
-
Расчетные модели полей пульсаций давления перед прямым уступом, за обратным уступом и для конфигурации «прямой уступ-обратный уступ».
-
Результаты параметрических экспериментальных исследований пространственно-временной структуры поля пульсаций давления градиентного турбулентного пограничного слоя и расчетная модель этого поля.
-
Обобщение параметрических экспериментальных исследований резонансных колебаний в воздушных объемах, имитирующих конфигурацию реальной полости стыка дверь-фюзеляж современного пассажирского самолета и условия возникновения аэроакустических резонансов.
-
Результаты экспериментальных исследований конвектирующих неоднородных трехмерных полей пульсаций давления, формирующихся на модели фюзеляжа, в том числе с конфигурацией, являющейся моделью носовой части реального самолета.
-
Методика проведения экспериментальных исследований и результаты определения длинноволновых компонент частотно-волнового спектра полей пульсаций давления в области малых чисел Струхаля.
-
Результаты определения искажений регистрируемых приемниками пульсаций давления величин в аэродинамическом поле пульсаций давления.
Апробация работы
Основные результаты исследований, представленные в диссертационной работе, докладывались и обсуждались на 1, 2, 3, 4 открытых Всероссийских конференциях по аэроакустике (Звенигород 2009, 2011, 2013, 2015); 24, 25, 26 и 27 научно-технических конференциях по аэродинамике (пос. Володарского, 2013, 2014, 2015, 2016); конференциях AIAA (2002, 2005, 2007, 2015); 8-й научно-технической конференции по гидроавиации (Геленджик 2010); 19-м международном конгрессе по шуму и вибрациям ICSV (19th Lisbon 2005); международных конгрессах Inter-Noise (2006, 2007); международном семинаре High Speed Transport Noise and Environmental Acoustics (Геленджик 2003); семинаре "Авиационная акустика" (Звенигород 2007), 6-й Всероссийской конференции «Вычислительный эксперимент в аэроакустике» (Светлогорск 2016).
Частично и полностью результаты, представленные в работе, обсуждались на заседаниях НТС Акустического отделения, Московского комплекса и комплекса прочности Центрального аэрогидродинамического института имени проф. Н.Е. Жуковского (ЦАГИ).
Полностью диссертация обсуждалась на научных семинарах:
- семинаре по аэроакустике Акустического отделения Центрального аэрогидродинамического института имени проф. Н.Е. Жуковского, руководитель доктор физико-математических наук, профессор В.Ф. Копьев;
- кафедры вычислительной математики и механики Пермского
национального исследовательского политехнического университета,
руководитель доктор технических наук, профессор Н.А. Труфанов;
- Института механики сплошных сред УрО РАН, руководитель академик
РАН В.П. Матвеенко.
Результаты диссертационной работы использованы при выполнении научно-исследовательской работы в рамках проектов Российского фонда фундаментальных исследований (№03-02-17558 , № 06-02-16243); в рамках Государственной программы «Развитие авиационной промышленности на 2013-2025 годы» (утверждена постановлением Правительства РФ от 15 апреля
2014 года №303) (гос. контракты № 13411.1003899.18.020, №
16411.1770290019.18.031), Федеральных целевых программ «Развитие
гражданской авиационной техники России на 2002-2010 годы и на период до
2015 года» (гос. контракт № А34-0108/04, № 9411.1003800.18.016,
№11411.100.3800.18.042), «Развитие оборонно-промышленного комплекса
Российской Федерации на 2012-2020 годы и на период до 2020года» (гос.
контракт № 12411.1400099.18.007, № 15411.16999.18.006), при поддержке
Министерства образования и науки РФ (грант № 14.Z50.31.0032), в рамках
научно-исследовательских работ совместно с ЗАО «Гражданские самолеты
Сухого», ПАО «Корпорация «Иркут».
Публикации. Результаты исследований по теме диссертационной работы отражены в 40 публикациях, в том числе 14 статей [1-14] опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК, включая 11 публикаций в изданиях, индексируемых в Scopus [1-8, 12-14] и 10 публикаций в изданиях, индексируемых в WoS [1-7, 12-14]. Кроме того, публикации [15-23] в изданиях, не входящих в список ВАК, также индексируемы в Scopus.
Личный вклад автора Данная работа – результат многолетних исследований автора в Акустическом отделении ЦАГИ. Все изложенные в диссертации результаты получены автором лично, либо при его определяющем участии в постановке задач, проведении эксперимента и построении расчетных моделей. Из материалов совместных публикаций в работе использованы лишь те результаты, в которых личный вклад автора был определяющим.
Автор выражает искреннюю признательность профессору Б.М.Ефимцову за поддержку этой работы и благодарит коллег, в особенности В.Н.Бибко за помощь в проведении экспериментальных исследований.
Внедрение результатов работы было выполнено путем прогнозирования структуры полей пульсаций давления на обтекаемой поверхности МС-21 и расчета на этой основе шума в салоне с учетом особенностей бортовой конструкции этого самолета. Этот расчет позволил провести оптимизацию звукоизолирующего набора в различных зонах салона.
Структура диссертации
Диссертация состоит из списка использованных обозначений, введения, девяти глав, заключения и списка литературы, содержащего 271 наименование. Общий объем диссертации 321 страницу, включая 165 рисунков и 8 таблиц.
Общие сведения о пространственно-временной структуре неоднородных полей пульсаций давления
Осредненные параметры потока и турбулентного пограничного слоя в этой модели принимались по оценке, предложенной Bies D.A. [103].
На основании модели Ефимцова Б.М. проводятся расчеты шума в салоне самолета от полей пульсаций давления турбулентного пограничного слоя и в настоящее время. Большие проблемы, которые возникают при проведении широкомасштабных летных экспериментов, приводят к тому, что эта модель в настоящее время остается практически единственной, позволяющей выполнять обоснованный прогноз характеристик полей пристеночных пульсаций давления невозмущенного турбулентного пограничного слоя на поверхности летательного аппарата.
Другой научной школой, активно занимающейся исследованием структуры полей пульсаций давления применительно к гидродинамической акустике, является ленинградская школа ученых института ЦНИИ им. Крылова – Смольякова А.В. и Ткаченко В.М. Ими были достигнуты определенные результаты прежде всего в вопросах пространственной разрешающей способности приемников пульсаций давления, а также в создании альтернативной модели структуры поля пульсаций давления, основанной на эллиптическом представлении диагонального взаимного спектра [87]. Несомненны их заслуги в популяризации исследований по изучению структуры полей пульсаций давления, что нашло свое отражение в монографиях авторов [85,86].
Близко к этому направлению относятся исследования Кудашева Е.Б. [69-74]. Автором были выполнены конструктивные усовершенствования приемников пульсаций давления, направленные на снижение их чувствительности к внешним посторонним воздействиям - вибрации, температурным помехам, акустическим шумам. Принципы работы таких конструкций приемников представлены в монографии автора [74]. Кудашевым были также предложены методы измерения частотно-волнового спектра с помощью решеток с экспоненциальным распределением чувствительности и экспериментального определения характеристического функционала пульсаций давления.
Следует также отметить обзорные работы Blake W. K. [104] и Eckelmann H. [135], посвященные экспериментальным исследованиям полей пульсаций давления и их структуры.
Другим направлением является теоретическое исследование полей пульсаций давления с точки зрения последующего шумообразования. Основоположником этого направления был Lighthill M. J. [200,201]. Его работы базировались на подходе аналогий, на основании которого автор вместо того, чтобы непосредственно рассчитывать турбулентный поток, рассматривал эквивалентную акустическую среду, подверженную внешней флуктуирующей нагрузке. Другое теоретическое направление связано с подходом Kraichnan R.H.[191] и Phillips O.M.[229]. Их анализ был выполнен на основании уравнений Навье - Стокса, при этом принималось, что турбулентность является однородной параллельно бесконечной плоской границе. Это предположение позволило рассчитать частотно-волновой спектр пульсаций давления. Авторами было показано, что при нулевом волновом числе частотно-волновой спектр стремится к нулю. Это предположение было сформулировано как теорема Kraichnan - Phillips. Позже Ffowcs-Williams J. E.[163] показал, что эта теорема справедлива только при стремлении числа Маха к нулю.
Для понимания физических механизмов возникновения пристеночных пульсаций давления проводились экспериментальные исследования по определению структуры самого пограничного слоя. Еще в начале 80-хх годов прошлого века преобладало мнение, что турбулентное течение представляет собой "мелкозернистую" вихревую среду, находящуюся в состоянии полного хаоса[79]. Однако, использование и усовершенствование методов визуализации потока и, кроме того, применение новых инструментальных средств и анализирующей аппаратуры позволили выявить определенную степень организованности в турбулентных течениях.
Экспериментальные исследования, проведенные Kline S.J.[188], показали наличие низкоскоростных мелкомасштабных когерентных структур, названных "струйками" или "жгутами" вблизи обтекаемой поверхности. Эти структуры представляют собой вращающиеся в противоположных направлениях продольные вихри. В буферной зоне эти структуры совершают колебательные движения и разрушаются. Три стадии, которые проходит струйка замедленной жидкости за время своего существования как когерентная структура, а именно: подъем, колебание и разрушение, принято именовать выбросом. Выбросы, возникающие в буферной зоне турбулентного пограничного слоя, происходят с определенной частотой.
В исследованиях, которые проводились во всей области турбулентного пограничного слоя, были обнаружены организованные движения существенно больших масштабов, чем мелкомасштабные вихревые структуры [98,118,158, 181,184,206,236,253]. Эти организованные движения порождены перемещением крупномасштабных поперечно ориентированных вихревых структур, которые существуют в логарифмической и внешней областях пограничного слоя. Причем в каждой из этих областей присутствуют определенные типы когерентных структур, которые имеют свои характерные масштабы и времена жизни. Основные результаты экспериментальных работ по исследованию крупномасштабных явлений в турбулентном пограничном слое представлены в монографии [91].
Влияние защитной сетки приемника на регистрируемые спектральные уровни
В настоящее время предлагается альтернативный вариант проведения измерений, конструктивно выполненный путем размещения приемника пульсаций давления под дополнительным экраном, имеющим отверстие малого диаметра (pinhole). Подробное рассмотрение данного явления представлено в работе Bull M.K., Thomas A.S.[115]. Авторами представлены основные частотные характеристики приемников, располагающихся под pinhole в сравнении с мембранным конденсаторным микрофоном. Показано явление возникновения акустического резонанса. Расположение приемников пульсаций давления под дополнительным экраном является в настоящее время одной из самых распространенных схем измерений[105,168,170].
Таким образом, при проведении измерений пульсаций давления важно решение методических вопросов и прежде всего в отношении основного элемента измерений - датчика. Основное внимание уделяется его монтажу на обтекаемой поверхности. Важность учета конструктивных особенностей приемника связана еще и с тем, что его передаточная характеристика может существенно зависеть от пространственно-временной структуры аэроакустических полей. Как было показано в монографии [86], в настоящее время не удается создать приемник пульсаций давления с передаточной характеристикой, равной единице. Наблюдаемые в практике измерений искажения регистрируемых величин могут быть обусловлены 1) установки приемника с отклонением от обтекаемой поверхности (выступанием или углублением), 2) ограниченной пространственной разрешающей способности приемника, 3) появления акустических и аэроакустических резонансов в высокочастотной области, 4) определенного расположения отверстий защитной сетки относительно чувствительного элемента приемника, 5) большого сопротивления продуванию защитной сетки.
Данные вопросы не отражены в паспортной характеристике приемников, поэтому по ним необходимо проведение дополнительных методических исследований. Конечно основные характеристики приемников – чувствительность, динамический диапазон, чувствительность к температуре и вибрациям необходимо учитывать в первую очередь.
Конструкция приемника Кюлайт Основными приемниками пульсаций давления, используемыми в настоящее время, являются приемники фирмы Kulite. Конструкция приемников этой фирмы представляет собой чувствительный элемент с протравленной мембраной, выполненный из силиката, поверх которого располагается защитная сетка (рис. 2.2). В защитной сетке имеется набор отверстий, что делает ее воздухопрозрачной. Малый диаметр отверстий приводит к тому, что под сеткой формируется псевдозвуковое поле возмущений, активно интерферирующее в полости.
Паспортная характеристика приемника XCS-190-15D. Оценка искажений, обусловленных неточностью установки приемника на обтекаемой поверхности, проводилась на аэродинамической трубе Т-125 и на летающей лаборатории. В качестве испытуемого объекта был выбран приемник типа XCS-190-15D (“Kulite”). Основные характеристики данного приемника и некоторые особенности конструкции представлены в виде его паспортных данных на рис. 2.2. Внешний цилиндрический диаметр приемника составлял 3,9мм. Чувствительный элемент приемника углублен относительно окружающей поверхности и соединяется с ней через полость и защитную сетку, представляющей собой набор отверстий, расположенных по периметру. Эскиз этой сетки также представлен на рисунке 2.3.
Схема втулки, в которую монтировался приемник. При измерениях на аэродинамической трубе Т-125 перемещение приемника относительно обтекаемой поверхности, контроль положения отдельных точек положения приемника осуществлялись с помощью специальных приспособлений. Приемник был установлен в пластиковой втулке с резьбой М5 (рисунок 2.4). Сама втулка устанавливалась в измерительном окне также с помощью резьбы. Приемник вкручивался в специальное приспособление, с помощью которого осуществлялась установка приемника на обтекаемой поверхности заподлицо или с выступанием (углублением). Поверхность втулки приводилась в соответствие с радиусом 1600мм, имитирующем обтекаемую поверхность летательного аппарата.
Для контроля установки приемника использовался микрометр с ценой деления 0,001мм, для определения координат его расположения использовался микроскоп с 10, 15, 30, 50 кратным увеличением. Продольное перемещение приемника пульсаций давления (выступание, углубление) осуществляется с помощью 2 резьбовых пар, расположенных на датчике и на втулке. Перемещение контролировалось индикатором, состоящем из шкалы (транспортир) и стрелки. Калибровка индикатора была выполнена с помощью микроскопа с 30-кратным увеличением.
Летные экспериментальные исследования влияния отклонения приемника относительно внешней поверхности летающей лаборатории на измеряемые им пристеночные турбулентные пульсации давления проводились в трех фальш-окнах, расположенных на расстоянии 25,9м (поз.1); 33,5м (поз.2); 42,6м (поз.3) от передней точки фюзеляжа.
Трансформация полей пульсаций давления при изменении угла наклона передней и задней стенок и угла скоса потока
В работе Largeau J.F. и Moriniere V. [193] представлены результаты лабораторных исследований полей пульсаций давления и аэродинамических полей отрывного потока поверх прямого уступа при его высоте 30, 40, 50мм со скоростью потока 15-40м/с. Антенна из 16 микрофонов был расположена как в направлении потока, так и в ортогональном направлении. Для определения пульсаций скорости использовалась лазерная техника. Авторами отмечаются высокие уровни корреляции между скоростью и пульсациями давления в основании рециркуляционной зоны и их распространение вниз по потоку. В работе Byun G., Simpson R.L. [116] авторами представлены результаты экспериментальных исследований пульсаций давления на выпуклости. Отмечается существенное повышение спектральных уровней пульсаций давления на подветренной стороне выпуклости. Тем не менее, следует отметить, что спектральные уровни пульсаций давления поверх выпуклости относительно невысоки.
В работе Fiorentini E. и др. [164] проводились исследования распределения пульсаций давления перед прямым уступом для несжимаемого турбулентного пограничного слоя. Пульсации давления измерялись с помощью столбца пьезорезистивных микрофонов, установленных заподлицо с поверхностью в крупномасштабной водяной трубе. Было получено, что амплитуда пульсаций давления существенно увеличивается и достигает максимума на расстоянии 2 высот за кромкой уступа. Эта позиция приблизительно согласуется со средней позицией точки присоединения. Была определена корреляция между полями пульсаций давления и полями пульсаций скорости.
Изучение полей пульсаций давления за обратным уступом при больших числах Рейнольдса представлено Awasthi и др. [101]. Эксперименты были выполнены при трех высотах уступов 3,8, 15, 60% от толщины пограничного слоя. Особое внимание было уделено влиянию уступов на поле пульсаций давления. Было показано, что уступы создают возмущения, которые медленно уменьшаются вниз по потоку. Возмущения ясно видны на расстоянии 150 высот уступа ниже по потоку. Корреляция свидетельствует о наличии организованных квазипериодических движений за точкой присоединения. Когерентность и масштаб этих возмущений являются существенной функцией отношения высоты уступа к толщине турбулентного пограничного слоя.
Leclerсq D.J.J. [196] было показано, что для конфигурации выступа высотой 50мм, шириной и протяженностью 500мм отрыв потока наступает на расстоянии 3,2h вверх от уступа, присоединение на расстоянии 6,8h за уступом. За уступом наблюдаются следы когерентных структур, формирующихся перед прямым уступом. Поперечная корреляция за уступом меньше продольной. Перед уступом формируются существенно более высокие уровни, чем за уступом. Излучение имеет максимум, который располагается на расстоянии (1-2)h за передней кромкой, второй источник расположен за обратным уступом на расстоянии 2-3 высот уступа и он существенно меньше, чем акустический источник перед уступом. Однако автор признает, что пространственное разрешение результатов измерений не столь высокое.
К числу других работ, посвященных изучению излучения от уступов, следует отнести работы Farabee T.M., Zoccola P.J. [162], Jacob M.C. [183], Becker S.[102]. Все авторы указывают на существенно большую мощность акустического излучения от полей пульсаций давления перед прямым, чем за обратным уступом. Их экспериментальные данные также продемонстрировали зависимость уровня звуковой мощности от шестой степени скорости потока, что характерно для дипольного излучения. К другим работам, посвященным влиянию пульсаций давления в окрестности выступов на излучаемый шум, относятся работы Kargus W.A., Lauchle G.C. [185], Howe M. S. [176], Lauchle G.C., Kargus W.A. [194].
Представленные выше исследования проводились в основном для уступов большой высоты. Для современных гражданских самолетов необходимо выполнение прогноза пространственно-временной структуры полей пульсаций давления в окрестности уступов малой (относительно толщины пограничного слоя) высоты. Проведение параметрического анализа основных характеристик этих полей, построение расчетных моделей, которые могут служить основой расчета шума в салоне, проводилось на основе серий экспериментов на аэродинамических трубах (Т–124 и Т–125), малошумных аэроакустических установках П–1 и П-2, а также на поверхности летающей лаборатории.
Важное практическое значение имеют изолированные конфигурации прямой уступ и обратный уступ, которые формируются, например, при нестыковке панелей обшивки фюзеляжа. На обтекаемой поверхности летательного аппарата также могут наблюдаться и конфигурации «прямой уступ-обратный уступ» (выступы). При достаточно больших размерах этих конфигураций пространственно-временная структура полей пульсаций давления может быть определена независимо в каждой из зон рециркуляции. При уменьшении размеров конфигурации (в том числе ее высоты) наблюдается трансформация основных характеристик полей пульсаций давления в отдельных зонах, и, кроме того, может наблюдаться возникновение дополнительного неоднородного поля пульсаций давления, обусловленного взаимодействием уже существующих неоднородных полей.
Расчетная модель полей пульсаций давления конфигурации «прямой уступ-обратный уступ»
При уменьшении l2/h наблюдается смещение области, в которой обнаруживаются максимальные значения интенсивности пульсаций давления за обратным уступом, ближе к нему. Так, при /2//2=122 максимум интенсивности пульсаций давления расположен в окрестности x/h&5; при l2/h=6,9 происходит смещение максимума ближе к уступу (х//г«3); при /2//2=1,7 максимальные значения пульсаций давления наблюдаются уже в окрестности x1h=2. Данные эффекты обусловлены сближением зон рециркуляции (а соответственно и зон повышенных пульсаций давления) за обратным уступом и зоны рециркуляции, локализующейся в окрестности боковой кромки.
На рис.3.23 показано изменение безразмерной спектральной плотности пульсаций давления перед прямым уступом конфигурации с параметрами, 7 / О 7 I 7 7 / 7 характеризуемыми п/ о =1,35, //2=13,9, при уменьшении величины 12/п. И в этом случае приемник располагался в зоне максимальной интенсивности пульсаций давления, которая локализуется при всех значениях l2/h непосредственно перед прямым уступом. Можно видеть, что параметр l2/h оказывает заметное влияние на максимальную интенсивность пульсаций давления перед прямым уступом. Уменьшение l2/h от 122 до 1,7 приводит к повышению максимальных уровней пульсаций давления до 4дБ. Такое увеличение интенсивности происходит практически во всем диапазоне чисел Струхаля почти эквидистантно. Таким образом, сближение зон рециркуляции перед прямым уступом и в окрестности боковой кромки приводит к повышению интенсивности пульсаций давления непосредственно перед конфигурацией. Параметр l2/h оказывает влияние на картину пространственного распределения интенсивности пульсаций давления Уменьшение 12/кот 122 до 1,67 приводит к уменьшению масштаба неоднородности поля пульсаций давления примерно в 1,5 раза перед прямым и в 2 раза за обратным уступом. Переход от чисто двумерного течения к трехмерному приводит к некоторому уменьшению масштабов корреляции и увеличению фазовой скорости.
Распределение пульсаций давления в окрестности выступов. Как отмечалось выше, существуют три зоны рециркуляции в окрестности выступов - перед прямым уступом, за обратным уступом и в окрестности ребра, направленного вдоль потока. Каждая из этих зон характеризуется не только пространственным изменением основных аэродинамических параметров течения, но и определенным спектральным составом полей пульсаций давления, а также их пространственным распределением.
Ниже (рис.3.24) представлена картина распределения уровней пульсаций давления в 1/3-октавных полосах частот со средними частотами 125Гц, 500Гц, 2000Гц, 8000Гц вокруг конфигурации «прямой уступ-обратный уступ» высотой h = 1,8мм, длиной l 1=25мм и шириной l2=25мм.
Условно можно выделить, три характерные области, где наблюдаются пульсации давления повышенной интенсивности и расположение которых примерно соответствует предполагаемому положению каждой из зон рециркуляции. Первая область (непосредственно перед прямым уступом) характеризуется высокой интенсивностью пульсаций давления на низких и средних частотах. Вторая более протяженная область (за обратным уступом) характеризуется высокой интенсивностью в области средних и высоких частот. Третья локальная область (в окрестности головной части боковой кромки) характеризуется максимальной интенсивностью высокочастотных пульсаций давления.
На частоте 125Гц максимальные уровни пульсаций давления локализуются непосредственно перед прямым уступом, причем на ограниченном по ширине участке. Именно на этом участке картина распределения интенсивности пульсаций давления напоминает реализуемую в условиях двумерного течения перед уступом. Эти эффекты локальной двумерности течения ослабляются по мере приближения к боковой границе. В третьей области (в окрестности головной части боковой кромки) интенсивность пульсаций давления на частоте 125Гц вырождается в направлении потока на расстоянии до 5-7 высот уступа. Ниже по потоку вплоть до самой задней кромки конфигурации «прямой уступ-обратный уступ» интенсивность пульсаций давления близка к наблюдаемой в ТПС. В области за обратным уступом на этой частоте наибольшая интенсивность пульсаций давления наблюдается на более протяженном участке в зоне присоединения оторвавшегося потока. В целом область за обратным уступом характеризуется также большей площадью повышенной интенсивностью пульсаций давления по сравнению с областью перед прямым уступом.
На частотах 500Гц и 2000Гц распределение интенсивности пульсаций давления вокруг конфигурации «прямой уступ-обратный уступ» принципиально не отличается от наблюдаемого на частоте 125Гц. Однако, во всех зонах повышенной интенсивности (перед выступом, за выступом и в окрестности боковой кромки) наблюдаются примерно одинаковые высокие спектральные уровни. Принципиальное изменение наблюдается при увеличении частоты до 8000Гц. Можно видеть, что зоны высокой интенсивности пульсаций давления перед и за выступом практически вырождаются. Максимальные уровни пульсаций давления наблюдаются в третьей области (в окрестности передней части боковой кромки конфигурации). Непосредственно за обратным уступом наблюдаются и пониженные (по сравнению с невозмущенным потоком) уровни пульсаций давления.