Содержание к диссертации
Введение
1 Шум сверхзвуковых струй и способы его снижения 15
1.1 Структура сверхзвуковых турбулентных струй 15
1.2 Акустика струйных течений 20
1.3 Источники шума сверхзвуковой струи
1.3.1 Шум смешения 27
1.3.2 Широкополосный ударно-волновой шум 29
1.3.3 Дискретный тон 30
1.4 Способы снижения шума реактивных струй 32
1.4.1 Изменение формы кромки сопла 33
1.4.2 Вдув коаксиального потока 35
1.4.3 Акустическое воздействие 36
1.4.4 Вдув микроструй воздуха
1.5 Снижение акустических нагрузок с помощью инжекции воды 37
1.6 Выводы главы 1 42
2 Экспериментальная установка и методика обработки результатов 44
2.1 Экспериментальная установка 44
2.2 Двигательная установка 47
2.3 Система измерений 49
2.4 Система видеорегистрации 51
2.5 Программа испытаний 52
2.6 Методика обработки результатов акустических измерений
2.6.1 Общий уровень звукового давления 54
2.6.2 Спектральный анализ
2.7 Методика численного моделирования 59
2.8 Выводы главы 2 63
3 Результаты экспериментов 64
3.1 Общий уровень звукового давления 64
3.1.1 Испытания №1 и №2 («сухие» испытания) 65
3.1.2 Испытание №3 (с инжекцией воды под углом 0) 70
3.1.3 Испытание №4 (с инжекцией воды под углом 60) 73
3.2 Спектральный анализ 76
3.2.1 Локальный спектр акустической энергии 76
3.2.2 Глобальный спектр акустической энергии
3.3 Сравнение результатов 89
3.4 Выводы главы 3 94
4 Генерация дискретного тона 96
4.1 Анализ экспериментальных данных 96
4.2 Модель генерации дискретного тона 102
4.3 Выводы главы 4 107
Заключение 108
Список литературы
- Широкополосный ударно-волновой шум
- Двигательная установка
- Испытания №1 и №2 («сухие» испытания)
- Модель генерации дискретного тона
Введение к работе
Актуальность темы.
Задачи по изучению космоса требуют непрерывного увеличения мощности двигательных установок ракет космического назначения (РКН), что неизбежно приводит к росту аэродинамического шума. Акустическое поле, генерируемое РКН во время старта, вызывает сильные виброакустические напряжения как на корпусе ракеты, так и на стартовых сооружениях, что может привести к их усталостному разрушению. Также серьезную опасность вызывает факт совпадения частотного спектра акустического излучения струи со спектром собственных частот агрегатов и приборов РКН, что может привести к резонансу. В настоящее время проблема снижения акустического воздействия на экипаж РКН является одной из главных проблем пилотируемых полетов.
В экспериментальном направлении за последнее время все большее значение приобретают вопросы снижения акустического излучения высокоскоростных реактивных струй с помощью инжекции воды в слой смешения. Несмотря на достаточно большую историю развития данного метода, ввиду того, что большинство исследований выполнено экспериментально на мелкомасштабных установках с использованием одиночных струй, а также из-за отсутствия расчетных моделей сложно прогнозировать его эффективность при изменении конфигурации сопел. Так, РКН тяжелого и сверхтяжелого классов имеют, как правило, блочную компоновку сопел двигательных установок первой ступени, что приводит к изменению характера генерации акустического поля по сравнению с односопловыми двигательными установками. Исследования особенностей излучения шума блочных сверхзвуковых струй крайне ограничены и имеют в основном экспериментальный характер. Так же современные реактивные двигатели преимущественно работают при коэффициенте избытка окислителя меньше единицы. В связи с тем, что в соплах происходит охлаждение продуктов горения, состав продуктов горения постепенно замораживается. Это приводит к тому, что в выхлопной струе может произойти догорание выхлопных газов из-за взаимодействия с атмосферным кислородом, что существенно изменяет газодинамические параметры в струе. Источники шума сверхзвуковых струй, вызванные физико-химическими процессами и, в частности, догоранием топлива, в настоящее время практически не изучены.
Таким образом, решение задач по снижению акустических нагрузок при старте РКН требует разработки новых технических систем для стартовых комплексов. Это делает актуальным исследование снижения акустического шума блочной сверхзвуковой струи с возможным догоранием топлива в направлении вверх по течению при помощи инжекции воды в слой смешения.
Объектом исследования является блочная сверхзвуковая струя, а предметом исследования — акустический шум блочной сверхзвуковой струи с воз-
можным догоранием топлива, излучающийся в направлении вверх по течению.
Целью исследования является снижение акустического шума блочной сверхзвуковой струи с возможным догоранием топлива, излучающегося в направлении вверх по течению, при помощи инжекции воды в слой смешения.
Поставленная цель достигается решением следующих задач:
-
Разработка методики проведения экспериментального исследования влияния инжекции воды в слой смешения блочной сверхзвуковой струи на акустический шум, излучающийся в направлении вверх по течению;
-
Разработка методики обработки результатов акустических измерений, позволяющей анализировать динамику акустического излучения в зависимости от изменения параметров струи;
-
Экспериментальное исследование влияния геометрических характеристик инжекции воды на акустическое поле блочной сверхзвуковой струи, излучающееся в направлении вверх по течению;
-
Экспериментальное определение источников шума блочных сверхзвуковых струй, связанных с догоранием топлива в слое смешения, разработка математической модели излучения и определение влияния инжекции воды на акустическое излучение этих источников.
Научная новизна работы. Основной научный результат диссертационной работы заключается в разработке нового научно-методического обеспечения, позволяющего снизить акустический шум блочной сверхзвуковой струи с возможным догоранием топлива, излучающийся в направлении вверх по течению, при помощи инжекции воды в слой смешения:
-
Разработана методика проведения испытаний, которая позволила определить оптимальные с точки зрения снижения шума углы инжекции воды в слой смешения сверхзвуковой блочной струи. Установлено, что ин-жекция воды под углом 60 относительно оси струи более эффективна в присопловой зоне модели РКН, тогда как в головной части наибольшее снижение интенсивности акустического излучения наблюдалось при ин-жекции воды параллельно оси струи;
-
Впервые детально исследовано акустическое поле блочных сверхзвуковых струй с догоранием топлива. Установлено, что догорание топлива может привести к значительному увеличению интенсивности акустического излучения за счет генерации дискретного тона;
-
Впервые разработана математическая модель генерации дискретного тона блочной сверхзвуковой струей с догоранием топлива.
Научная и практическая значимость. Научная значимость заключается в развитии теории акустического излучения сверхзвуковыми струями. Результаты исследования могут быть использованы при проектировании систем снижения акустических нагрузок для стартовых комплексов перспективных РКН тяжелого и сверхтяжелого классов.
Достоверность полученных результатов обеспечивается корректностью поставленных экспериментов с наличием дублирующих систем измерения, корректностью применяемых методов и средств обработки результатов экспериментов, а также качественным совпадением с результатами аналогичных исследований других авторов.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Результаты экспериментального исследования снижения акустического шума блочной сверхзвуковой струи, излучающегося в направлении вверх по течению, при помощи инжекции воды в слой смешения;
-
Результаты экспериментального исследования особенностей акустического поля блочной сверхзвуковой струи с догоранием топлива;
-
Математическая модель генерации дискретного тона блочной сверхзвуковой струей с догоранием топлива.
Экспериментальные данные, используемые в работе, помимо автора получены сотрудниками АО «КБСМ» А. М. Воробьевым, А. Т. Макавее-вым, А. Б. Кузнецовым и сотрудниками филиала ФГУП «ЦЭНКИ» — НИИСК А. Б. Бутом, Т. О. Абдурашидовым.
Апробация работы. Результаты исследования докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях и семинарах: Международная конференция по механике «Шестые Поляховские чтения» (Санкт-Петербург, 2012 г.); III научно-техническая конференция молодых ученых и специалистов «Старт в будущее» (Санкт-Петербург, 2013 г.); Научно-технический семинар по вопросам разработки и создания системы эксплуатации космодрома «Восточный» (Санкт-Петербург, 2013г.); Молодежная конференция «Новые материалы и технологии в ракетно-космической и авиационной технике» (Звездный городок, 2013г.); Х международная научно-техническая конференция «Технические средства противодействия террористическим и криминальным взрывам» (Санкт-Петербург, 2014 г.); Международная научно-практическая конференция «Безопасность космических полетов» (Санкт-Петербург, 2014 г.); Всероссийская научная конференция «Проблемы газовой и волновой динамики и ракетной техники» (Москва, 2014 г.); Международная конференция по механике «Седьмые Поляховские чтения» (Санкт-Петербург, 2015г.); X всероссийская научно-практическая конференция «Проблемы обеспечения взры-вобезопасности и противодействие терроризму» (Санкт-Петербург, 2015 г.); Общероссийская научно-техническая конференция «Седьмые Уткинские чтения» (Санкт-Петербург, 2015 г.). Результаты также докладывались на научных
семинарах кафедры гидроаэромеханики Санкт-Петербургского государственного университета.
Публикации. Основные результаты по теме диссертации изложены в 9 печатных изданиях [1–9], 3 из которых изданы в журналах, рекомендованных ВАК [1–3]. В работе [2] Воробьеву А. М. принадлежит общее руководство над экспериментальным исследованием; Макавееву А. Т. и Кузнецову А. Б. принадлежит разработка экспериментальной и двигательной установок; Аб-дурашидову Т. О. и Буту А. Б. принадлежит разработка системы измерения; автором разработана методика проведения испытаний, методика обработки результатов акустических измерений и анализ результатов. В работе [3] Воробьеву А. М. принадлежит общее руководство над экспериментальным исследованием; автору принадлежит разработка методики проведения спектрального анализа на основе вейвлетного преобразования, анализ результатов испытаний и разработка математической модели генерации дискретного тона. В работе [4] Воробьеву А. М. и Долбенкову В. Г. принадлежит идея исследования и постановка задачи; Макавееву А. Т. и Кузнецову А. Б. принадлежит разработка проектов систем гашения шума при старте РКН; автору принадлежит обоснование предложенных проектов. В работе [5] Воробьеву А. М. и Долбенкову В. Г. принадлежит идея исследования и постановка задачи; Ма-кавееву А. Т. принадлежит разработка проектов экспериментального стенда; автору принадлежит анализ современного состояния проблемы и обоснование предложенных моделей. В работе [8] Кузнецову А. Б. принадлежит разработка двигательной установки и расчет внутрибаллистических характеристик в камере сгорания; автору принадлежит анализ результатов испытаний и разработка математической модели генерации дискретного тона блочной сверхзвуковой струей с догоранием топлива.
Реализация и внедрение результатов исследования. Основные результаты и выводы, представленные в диссертации, использованы в производственной деятельности АО «КБСМ» при проектировании наземного оборудования ракетно-космических систем.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения. Полный объем диссертации составляет 123 страницы с 45 рисунками и 4 таблицами. Список литературы содержит 113 наименований.
Широкополосный ударно-волновой шум
Аэроакустика, раздел физики об аэродинамических источниках шума, является относительно молодой и чрезвычайно сложной наукой. Впервые вопросы образования шума движущейся жидкостью изучил Рэлей [13], однако лишь с появлением авиации, которая стала стремительно развиваться, возник реальный интерес к вопросам излучения шума летательными аппаратами. На начальном этапе серьезный вклад внесли Л. Я. Гутин [14], который первым получил аналитическое выражения для определения уровня акустического излучения воздушного винта в дальнем поле, и Е. Я. Юдин [15], который вывел «закон шестой степени» для шума вихревого происхождения при обтекании твердого тела. Далее серьезным шагом была работа Д. И. Блохинцева [16], в которой впервые изложены теоретические основы акустики движущейся среды.
В начале второй половины ХХ века появились пионерские работы Дж. Лайт-хилла [17, 18], которые привели к созданию акустической аналогии. Основная идея предложенной аналогии заключается в том, что турбулентное движение сжимаемой среды физически содержит условия, необходимые для генерации звука, а уравнения Навье-Стокса могут быть преобразованы в неоднородное волновое уравнение д2 р 2 д2р 92Tij at1 ox- oxiOXj Tij = pViVj — Tij + (p — pc Sij, (1.2) где p — плотность, CQO — скорость звука в окружающей среде и Ту — тензор напряжения Лайтхилла, в котором V{ — компонента скорости, р — давление, ту- — тензор вязких напряжений, Ь13 - символ Кронекера. Лайтхилл выдвинул идею, что если левая часть волнового уравнения описывает распространение акустической волны в покоящемся пространстве, то правая сторона должна представлять источники акустического поля, которые имеют квадрупольный вид. Главным моментом в этой теории является то, что правая часть уравнения считается известной и может быть определена из некоторых дополнительных наблюдений, тогда как в реальности определение этого члена равносильно решению уравнений Навье-Стокса. Первый член тензора Лайтхилла характеризует вклад в генерацию акустического поля напряжений Рейнольдса, второй - вязких напряжений, а третий отвечает за диссипацию. Полагая термодинамические процессы при распространении количества движения изоэнтропическими (пренебрегая тем самым диссипативным членом в тензоре Лайтхилла), компоненты тензора вязких напряжений малыми по сравнению с напряжениями Рейнольдса, а плотность потока равной плотности окружающей среды, то для дозвуковых потоков с точностью до квадрата числа Маха М2 [19] тензор Лайтхилла можно записать в виде Ту = fWiVj. На основе этих предположений был установлен знаменитый «закон восьмой степени» ОГО Жз р VA C Da, (1.3) который гласит, что акустическая мощность дозвуковых струй пропорциональна скорости истечения струи в восьмой степени ( — диаметр выходного сечения сопла). Спустя некоторое время Н. Керл [20] расширил акустическую аналогия Лайтхилла на случай генерации акустического поля турбулентным потоком в присутствии жестких границ.
Хотя работа Лайтхилла была впечатляющей по своим масштабам, она требовала серьезных допущений. В частности, представленная теория не учитывает взаимодействие образовавшегося звука с потоком (эффекты рефракции и рассеивания звука, а также конвекции звука в неоднородном потоке), что при увеличении чисел Маха приводит к неверным результатам [21]. Также для неизотермических турбулентных потоков к дополнению к квадрупольным источникам шума необходимо рассматривать дополнительные источники шума вследствие изменение температуры потока или плотности движущейся среды [22,23].
Еще одно допущение вышеописанной теории заключается в том, что она содержит только стационарные источники. Так как турбулентные структуры, которые с точки зрения источников акустического излучения представляют из себя квадруполи, переносятся вниз по течению с конвективной скоростью , то возникает доплеровский сдвиг. Разница между акустическими излучениями неподвижного и подвижного турбулентных вихрей схематично изображена на рисун 23
В дальнейшем эту идею развили Фокс-Уильямс [24] и Рибнер [25], которые ввели поправки для мощности акустического поля для свободных струй: Wa(6) р v7a5 с"5 D\ С"5, (1.4) 1 /9 С(Мс,в) = [ (1 — Мс cos#) +аМс] , (1.5) где в — угол относительно оси струи, Мс = Vc/coo — конвективное число Маха, характеризующее перенос турбулентных вихрей в области смешения, а отвечает за конечное время затухания вихрей (обычно принимается а = 0.4). Предложенная поправка позволила расширить теория Лайтхилла на случай сверхзвуковых струй, где конвекция вихрей играет первостепенную роль, и получить «закон третьей степени» О5О Жз р va с Da. (1.6) Позднее модель была усовершенствована с учетом совместного эффекта рефракции и доплеровского смещения [26]. Несмотря на хорошее соответствие результатов, полученных для дозвуковых изотермических струй, аналогия Лайтхилла дает слабое соответствие с экспериментальными данными для сверхзвуковых неизобарических струй.
Несмотря на различные поправки к теории Лайтхилла, эта теория все равно рассматривает источники шума, движущиеся относительно среды, находящейся на бесконечности, тогда как основное влияние на излучение шума должно оказывать движение в непосредственной близости к источнику [27]. Первым эту идею развил Филлипс [28], преобразовав уравнения Навье-Стокса к следующему виду:
Двигательная установка
В качестве модельного двигателя используется ракетный двигатель на твердом топливе (РДТТ) СМ-А269, который спроектирован АО «КБСМ». РДТТ СМ-А269 обеспечивает моделирование работы на режиме главной ступени тяги РКН «Ангара-А5» в масштабе 1:17.
Общая схема двигателя изображена на рисунке 2.3. Представленная конструкция двигателя является модификацией модельного двигателя СМ-А254, который является газодинамической моделью двигательной установки РД-191 (один блок первой ступени РКН «Ангара-А5») в масштабе 1:5. Без изменения остались передняя крышка 1 с пиропатроном 6, корпус двигателя 2, рассекатель 10 с воспламенителем 5, задняя 8 и передняя 9 решетки, между которыми расположен основной заряд. Изменения коснулись следующих элементов: во-первых, односопловая конструкция задней крышки двигателя СМ-А254 была заменена на крышку с пятью коническими соплами с углом полураствора 15, во-вторых, для достижения необходимого давления в камере сгорания вместе с основным зарядом твердого топлива 4 используется деревянный имитатор
Эти модификации позволили значительно уменьшить стоимость проводимых работ и увеличить количество испытаний без серьезного ущерба качеству.
Основные характеристики двигателя приведены в таблице 2.1. В РДТТ используется твердое баллиститное топливо, где горючим является нитроцеллюлоза, а роль окислителя играет нитроглицерин. Продукты сгорания топлива содержат компоненты со следующими весовыми долями: [] = 0.31, [2] = 0.16, [2] = 0.38, [2] = 0.14, [2] = 0.01. Важно заметить, что и 2 являются горючими веществами, смешение которого с кислородом, содержащимся в воздухе, может привести к воспламенению.
Для предотвращения попадания воды внутрь двигательной установки, в критическом сечении устанавливались металлические пластины, которые в момент запуска прорывались газовым потоком. В связи с этим, при обработке результатов испытаний, анализ участка запуска двигателя в работе не проводился. Таблица 2.1: Основные характеристики РДТТ СМ-А2 Параметр Значение параметра
В процессе работы стенда определяются следующие параметры: акустическое давление на корпусе модели РКН, ударно-волновые нагрузки на корпусе модели РКН и избыточное давление в камере сгорания двигателя.
Система измерений на модели РКН изображена на рисунке 2.4. Для регистрации акустических давлений в качестве чувствительного элемента применялись 1/4-дюймовые конденсаторные микрофоны типа 4938A (М1, М2, М3) и 4939A (М4, М5, М6) фирмы «Bruel & Kjaer» (Дания), предназначенные специально для измерений при высоком уровне звукового давления и на высоких частотах. Характеристики микрофонов представлены в таблице 2.2. Для настройки и сквозной калибровки трактов акустических давлений использовался пистонфон 4228 фирмы «Bruel & Kjaer». Погрешность калибровки не превышает 0.12 дБ. Часто Рисунок 2.4: Система измерения на модели РКН та калибровочного сигнала, которая при работе от внутренних батарей составляет 250 Гц, стабилизируется специальной схемой на транзисторах и ее значение находится в пределах + 1 %. Специальная конструкция пистонфона, основывающаяся на применении двух поршней, приводимых в движение в противоположных друг другу направлениях, обеспечивает максимальную стабилизацию и малое нелинейное искажение калибровочного сигнала. Для регистрации данных используется частотный анализатор 3560E фирмы «Bruel & Kjaer».
Система измерений акустических давлений имеет следующие общие (сквозные) характеристики: диапазон частот 4 – 100000 Гц, погрешность измерения амплитуды давления — ± 1%, погрешность измерения спектрального уровня пульсаций давления: ± 2 дБ.
Всего установлено 3 пояса измерения: нижний — в районе днища двигательной установки, средний — на расстоянии 2.2 метра от среза сопел (/ = 26) и верхний — на расстоянии 3.3 метра от среза сопел (/ = 33). На каждом поясе измерений микрофоны расположены параллельно оси двигателя в двух взаимоперпендикулярных плоскостях — вертикальной и горизонтальной. Частота дискретизации сигнала, используемая в испытаниях, = 131 072 Гц.
Для качественного подтверждения результатов акустических измерений, параллельно с вышеописанной системой устанавливались и датчики ударно-волновых нагрузок (избыточное давление) ДДЭ060-07 (ВР1, ВР2 и ВР3 на рисунке 2.4) и PMP1020 (ВР1 , ВР2 и ВР3 на рисунке 2.4), которые располагались на корпусе РДТТ и на имитаторе корпуса РКН. Такой подход способствует максимальному пониманию физической составляющей сигнала. Избыточное давление в камере сгорания РДТТ СМ-А269 определяется с помощью двух датчиков МД-300Т, устанавливаемых в передней крышке двигателя (ВР4, ВР5 на рисунке 4.1).
Расход воды определяется с помощью двух датчиков Dynamic OD01 (MeiStream), устанавливаемых на входе в левую и правую части системы водоподачи соответственно. Избыточное давление воды определяется с помощью двух датчиков ДДЭ060-02, устанавливаемых в левой и правой частях системы водоподачи соответственно.
Испытания №1 и №2 («сухие» испытания)
Также можно заметить, что до достижения максимума давления в камере сгорания, ОУЗД меняется слабо. Согласно [73] представленная струя является высокотемпературной (Г0 1000ІГ) и высокоскоростной (Vcoc 3.5) и, соответственно, можно пренебречь излучением волн Маха и широкополосным ударным шумом. Из этого можно сделать вывод, что основными источниками шума являются турбулентный шум и возможные дискретные составляющие. Мощность турбулентного шума высокоскоростной сверхзвуковой струи пропорциональна vl [24,25]. Таким образом, несмотря на отсутствие участка с постоянным давлением, мощность акустического излучения струи меняется слабо и некоторое расхождение показателей давления в камере сгорания между испытаниями не приводит к сильным погрешностям.
Сравнивая результаты микрофонов для каждого испытания между собой можно сделать вывод, что на каждом поясе результаты идентичны, но для микрофонов М1 и М2 уровень на порядок выше, чем у микрофоном М3 - М6. Такое снижение уровня звукового давления по мере удаления поясов вызвано только рассеянием звуковых волн.
На рисунке 3.5 представлен ОУЗД для всех микрофонов, установленных на модели РКН, в сравнении с давлением в камере сгорания двигательной установки, для испытания №3, в котором в блочную сверхзвуковую струю инжектируется вода под углом 0. Также как и в «сухих» испытаниях №1 и №2, после достижения максимума давления в камере сгорания двигательной установки происходит увеличение ОУЗД, однако величина этого повышения значительно меньше. Из анализа скоростной видеосъемки можно сделать вывод, что при достижении максимума давления в камере сгорания также происходит процесс догорания топлива. Струя на режиме работы без догорания и с догоранием для испытания №3 представлена на рисунке 3.6. Помимо зоны яркого свечения, t, с б) С догоранием топлива Рисунок 3.6: Картина течения в испытании №3 где происходит догорание, видно, что взаимодействие водяных струй и струи двигательной установки происходит на расстояние 10, что проявляется обильным испарением воды. Видно, что подача воды не приводит к подавлению процесса догорания топлива, но сильно снижает интенсивность горения.
На рисунке 3.7 представлен ОУЗД для всех микрофонов, установленных на модели РКН, в сравнении с давлением в камере сгорания двигательной установки, для испытания №4, в котором вода инжектируется под углом 60. Видно, что участок до достижения максимального давления в камере сгорания и после полностью идентичны, а значения ОУЗД имеет практически постоянное значение. Из анализа скоростной видеосъемки можно сделать вывод, что догорания топлива не происходит. На рисунке 3.8б изображено работа двигателя после достижения максимума давления в камере сгорания. Видно, что инжекция воды полностью подавляет процесс догорания. На рисунке 3.8а изображена работающая система инжекции воды под углом 60.
Из приведенного выше исследования динамики ОУЗД можно сделать вывод, что в дальнейшем анализе результатов проведенных испытаний целесообразным является разделение работы двигательной установки на участок без догорания (с начала работы двигательной установки до момента достижения максимума давления в камере сгорания) и участок с догоранием топлива (с момента максимума давления в камере сгорания до окончания работы двигательной установки). Ввиду того, что в первом участке, когда догорания нет, ОУЗД меняется слабо, можно даже с некоторым разбросом давлений в камере сгорания с высокой точностью t,c а. Микрофон M1 Зависимость ОУЗД (сплошная линия) и давления в камере сгорания (штриховая линия) от времени для испытания №4 а) Без догорания топлива б) С догоранием топлива Рисунок 3.8: Картина течения в испытании №4 определить эффективность инжекции воды в слой смешения. А анализируя вторые участки определить влияние инжекции воды на процесс догорания топлива.
Для детального анализа акустического поля и выявления источников шума необходимо провести спектральный анализ, который является вторым этапом в методике обработки результатов акустических измерений, описанной в главе 2.
Первым подэтапом спектрального анализа является исследование локальных спектров акустической энергии для каждого из приведенных испытаний, которые представлены на рисунках 3.9 – 3.14 для всех микрофонов на модели РКН. По результатам предварительного анализа, в качестве базовой частоты в вейвлет-преобразовании использовалась 0 = 12. Это позволило максимально детализировать полосу частот 300 – 600 Гц. Для наглядности графики сгруппированы по микрофонам, а значения величины акустической энергии = (,)2 представлены в логарифмическом масштабе.
Из представленных спектров видно, что в Испытании №1 после достижения максимума давления в камере сгорания происходит резкий скачок акустической энергии на частоте 350 Гц, максимум которой с течением времени смещается в высокочастотную область, тогда как давление в камере сгорания понижается. Появление этой дискретной составляющей, как отмечалось ранее, спровоцировало обрыв записи в микрофоне М1 (рисунок 3.9а).
Модель генерации дискретного тона
Обработка результатов экспериментального исследования для определения влияния инжекции воды в слой смешения блочной сверхзвуковой струи на акустический шум, излучающийся в направлении вверх по течению, показал, что догорание недоокисленных компонентов топлива в атмосферном кислороде генерирует сильную дискретную составляющую в акустическом спектре. В результате ОУЗД на головной части модели РКН мог доходить до 159 дБ, а в присопловой области достигать огромной величины 171 дБ.
Анализ скоростной съемки показал, что после достижение максимума давления в камере сгорания двигательной установки начинает происходить догорание топлива. Так же определено, что догорание происходит вспышками, или колебаниями огненного факела, частота появления которых соответствует частоте дискретного тона в акустических сигналах. На рисунке 4.1 показана раскадровка развития одного такого колебания огненного факела для испытания №1. ставленная вспышка соответствует частоте дискретного тона = 350 Гц. Для испытания №2 такая раскадровка огненного факела, соответствующая частоте дискретного тона = 380 Гц, представлена на рисунке 4.2. Также отмечается, что с уменьшением давления в камере сгорания частота появления вспышек увеличивается.
Как отмечалось выше, при появлении дискретного тона происходило сильное увеличение ОУЗД. Для некоторых случаев осуществлялся выход из диапазона измерения, что приводило к обрыву записи. В связи с чем необходимо удостовериться, является ли полученная особенность сигнала физической. Для этого был проведен вейвлетный анализ для ударно-волновых датчиков, установленных на тех же поясах измерения, где и микрофоны. Параметры вейвлетной преобразования для микрофонов и ударно-волновых датчиков полностью идентичны. На рисунках 4.3 и 4.4 показаны локальны спектры энергии для микрофонов и ударно-волновых датчиков на первом поясе измерений (у среза сопла) для периода времени работы двигательной установки с догоранием топлива. Из анализа изображений можно сделать вывод, что дискретный тон также был зарегистрирован и ударно-волновыми датчиками. Однако на этих датчиках амплитуда несколько меньше, чем на микрофонах. Это связано в меньшей чувствительность ударно-волновых датчиков.
Важным отличием генерации дискретного тона в «сухих» испытаниях является то, что в испытании №1 излучение происходит сразу после достижения максимума давления в камере сгорания двигательной установки, тогда как в испытании №2 догорание происходит с задержкой 0.5 с. Такое эффект можно связать со следующим фактом. Нерасчетность струи , вычисляемая по соотношению: п =— = —(1 + Ма) т-1, (4.1) Рсо Рсо 102 в испытания №1 за все время работы двигательной установки не превышает единицу, то есть является перерасширенной. В испытании №2, давление в камере сгорания достигает больших значений, чем в испытании №1, и в момент достижения максимума истекающая струя является недорасширенной. Таким образом, имеется отличие в ударно-волновых конфигурациях струй, что, как отмечено в работе [110] сильно влияет на процесс горения в сверхзвуковой струе.
В вышеописанных экспериментах генерация дискретного тона напрямую связана с догоранием топлива. Можно выделить следующие этапы (рисунок 4.5):
1. На границе струи, в состав которой входят недоокисленные компоненты продуктов сгорания 2 и , у выходного сечения сопла развивается неустойчивость Кельвина-Гельмгольца. Таким образом, благодаря турбулентной диффузии происходит перемешивание топлива и кислорода, который содержится в воздухе. В результате образуется вихревая структура, состоящая из горючего и окислителя, которая движется с конвективной скоростью . Важной особенностью является то, что перемешивание в межсопловых областях происходит интенсивней, чем по внешнему периметру. Так, согласно соотношению (1.18), под углом 70 относительно оси струи происходит излучение волн Маха, которые, как описывалось в главе 1, имеют наиболее высокую амплитуду в спектре акустического шума, и расположены в низкочастотной области. Таким образом, на начальный участок развития слоя смешения воздействуют интенсивные низкочастотные акустические волны, а как показано в работе [80], низкочастотное акустическое излучения, направленное на зону выхода струи из сопла, способно сильно увеличить интенсивность турбулентного смешения.
2. Вихревая структура в межсопловом пространстве, в которой происходит перемешивание компонентов уже до молекулярного масштаба, движется по слою смешения с конвективной скоростью .
3. В зоне взаимодействия струй происходит постепенный нагрев топливо-воздушного вихря, компоненты которого уже смешались до состояния, необходимого для воспламенения. В результате, когда температура топливо-воздушного вихря превышает температуру, необходимую для начала реакции горения, происходит возгорание.