Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор результатов исследования влияния вихрегенераторов на течение сверхзвуковой струи 12
1.1 Структура течения сверхзвуковой недорасширенной струи 12
1.2 Акустическое излучение струи 17
1.3 Способы управления акустическим излучением сверхзвуковой струи 31
1.4 Постановка задачи 57
Глава 2. Экспериментальное оборудование и методика проведения численного расчета 59
2.1. Сопло основной струи 59
2.2. Микроструйная установка 60
2.3. Трех- и шестишевронные насадки 61
2.4. Струйный модуль гиперзвуковой аэродинамической трубы т-326 итпм со ран и система автоматизированного сбора данных 62
2.5. Система визуализации 65
2.6. Вертикальная струйная установка итпм со ран 65
2.7. Система измерения акустического давления 67
2.7.1. Измерение микрофоном 67
2.7.2. Измерения датчиками пульсаций давления 68
2.8. Методика зондовых измерений и визуализации потока 70
2.9. Методика численного моделирования 72
2.10. Методика измерения пульсаций акустического давления 77
2.10.1. Методика измерения микрофоном 77
2.10.2. Методика измерения датчиками пульсаций давления 78
2.10.3. Методика обработка результатов акустических измерений 79
Выводы к главе 2 80
Глава 3. Влияние вдува микроструй на структуру течения сверхзвуковой недорасширенной струи 81
3.1. Верификация численного расчета по данным эксперимента 81
3.1.1. Визуализация течения 81
3.1.2. Радиальные профили измеренного полного давления 83
3.1.3. Поля распределения измеренного полного давления 85
3.2. Генерация продольных вихрей путем вдува микроструй 86
3.3. Влияние вдува микроструй на толщину слоя смешения сверхзвуковой недорасширенной струи 89
3.4. Ударно-волновая структура сверхзвуковой недорасширенной струи при вдуве микроструй 91
Выводы к главе 3 105
Глава 4. Экспериментальное исследование влияния вихрегенераторов на акустическое излучение сверхзвуковой недорасширенной струи 106
4.1. Параметрическое исследование влияния вдува микроструй и шевронов
На акустическое излучение сверхзвуковой недорасширенной струи 106
4.1.1. Спектр шума сверхзвуковой недорасширенной струи ma=1 npr=5 106
4.1.2. Влияние вдува микроструй различной интенсивности на спектральные характеристики пульсаций акустического давления 107
4.1.3. Влияние шевронных насадков на спектральные характеристики пульсаций акустического давления 110
4.1.4. Влияние вихрегенераторов на уровень пульсаций акустического давления в различных частотных диапазонах 112
4.2. Диаграмма направленности акустического шума сверхзвуковой едорасширенной струи при наличии вихрегенераторов 113
4.2.1. Спектральные характеристики диаграммы направленности Акустического шума невозмущенной сверхзвуковой струи ma=1 npr=5 114
4.2.2. Влияние вихрегенераторов на спектральные характеристики диаграммы Направленности акустического шума струи 117
4.2.3.величина среднеквадратичных пульсаций в различных частотных Диапазонах акустического давления струи при наличии вихрегенераторов 122
Выводы к главе 4 130
Заключение 132
Список литературы 134
- Акустическое излучение струи
- Струйный модуль гиперзвуковой аэродинамической трубы т-326 итпм со ран и система автоматизированного сбора данных
- Радиальные профили измеренного полного давления
- Спектр шума сверхзвуковой недорасширенной струи ma=1 npr=5
Акустическое излучение струи
Объектом исследования данной работы является газовая затопленная сверхзвуковая недорасширенная струя.
Струи можно разделить на две большие группы: дозвуковые и сверхзвуковые газовые струи. В дозвуковых струях скорость течения газа всюду меньше местной скорости звука. В сверхзвуковых струях имеются области, где скорость течения газа равна или выше местной скорости звука. Отличают случаи истечения в газовую среду, находящуюся в покое относительно сопла (затопленное пространство), а также в движущуюся среду: спутный и встречный потоки. В зависимости от отношения давления на срезе сопла Pa к давлению в окружающей среде Ph, называемого степенью нерасчётности np=Pa/Ph, или просто нерасчётностью, принято различать два класса струй: изобарические np=1 и неизобарические: перерасширенные струи при np 1, и недорасширенные при np 1.
Характерной чертой нерасчетной сверхзвуковой струи является существенная неравномерность газодинамических параметров потока в продольном и поперечном направлениях струи. Т.е. газ имеет некоторую скорость в радиальном направлении, что в свою очередь приводит к сложному течению с областями расширения и сжатия, а также к появлению ударных волн сложной конфигурации. При этом радиальная компонента скорости газа вблизи границы струи может не единожды менять свое направление при движении вниз по течению, пока не станет пренебрежимо малой. Такая особенность приводит к тому, что на некотором расстоянии от среза сопла граница струи может образовывать последовательность характерных бочкообразных или ячеистых структур, количество и геометрия которых зависит от газодинамических параметров истечения струи и геометрических характеристик сопла. Определяющими параметрами струйного течения являются геометрическое число Маха в выходном сечении сопла, степень нерасчетности струи и число Рейнольдса.
Картина течения сверхзвуковой струи истекающей из конвергентного профилированного сопла с числом Маха на срезе сопла Ma=1 и разных степенях нерасчетности струи: np=1.056 - режим истечения близкий к расчетному, np=2.64, 7.4 – недорасширенные струи, - представлена на рис. 1.2. Таким образом, при очень больших степенях нерасчетности наблюдается лишь одна бочка струи в силу более выраженных диссипативных процессов в потоке.
Бочкообразная форма границы неизобарической струи обусловлена различием в величине давлений струи и окружающей среды, что приводит к образованию ударных волн сходной конфигурации, а отражение последних от оси может формировать конфигурацию с прямыми замыкающими ударными волнами, т.н. маховское отражение.
При истечении потока струи из сопла близи кромки возникает поверхность тангенциального разрыва, характерной особенностью которой является то, что на поверхности разрыв терпят такие параметры как скорость, температура, плотность, концентрация, тогда как распределение статического давления остается непрерывным. На поверхности тангенциального разрыва струи в связи с его неустойчивостью развиваются многочисленные вихри, движущиеся в потоке и осуществляющие перенос импульса, тепла и вещества в разных направлениях. Вследствие этого из тангенциального разрыва формируется слой смешения струи, являющийся в большинстве случаев турбулентным, где происходит массообмен газа, истекающего из сопла, и газа окружающей среды. в) Рис. 1.2. Шлирен-фотографии сверхзвуковых недорасширенных струй, истекающей из конвергентного сопла в затопленное пространство (воздух) с разной степенью нерасчетности: а - np=1.056, б - np=2.64, в - np=7.4 Утолщение слоя смешения происходит за счет увлечение потоком газа из окружающей среды и торможению самой струи. При движении вниз по течению происходит уменьшение ядра струи – высокоскоростной области, расположенной между слоями смешения. Внутри него силами вязкости можно пренебречь и считать течение внутри течением идеального газа.
Схема дозвуковой струи в спутном потоке [17] Общепризнанным является деление как дозвуковых, так и сверхзвуковых струй на три участка: начальный, переходной и основной. На рис. 1.3 показана схема дозвуковой струи, истекающей из сопла в спутном потоке [17]. Участок струи, в котором имеется ядро струи, называется начальным, в котором в наибольшей степени проявляется наибольшая неравномерность распределения параметров течения. После смыкания слоев смешения струи идет переходной участок, за которым следует основной. Течение в основном участке носит изобарический характер и подобно течению из источника бесконечно малой толщины (точка для осесимметричного случая). Профиль скорости данного участка является автомодельным. а)
При истечении из сопла вследствие превышения статического давления в струе над давлением в окружающей среде происходит расширение газа в центрированной волне разрежения 7. Волна разрежения при взаимодействии со свободной границей струи 5 отклоняет её к оси симметрии струи, отражаясь при этом волной сжатия. Волны сжатия при пересечении формируют висячий скачок уплотнения 1, имеющего вогнутую форму. Ниже по течению происходит его отражение от оси, т.е. лишь с образованием отраженного скачка 2, либо нерегулярно, вследствие невозможности разворота линий тока в двух слабых скачках, что приводит к образованию прямого скачка уплотнения 3 или диска Маха. За отраженным скачком газ имеет, как правило, сверхзвуковую скорость (прохождение через 2 косых скачка уплотнения), а за прямым скачком – дозвуковую. Разница в газодинамических параметрах потока в точке тройного взаимодействия приводит к образованию поверхности тангенциального разрыва, формирующую ниже по течению внутренний слой смешения струи 4. Отраженный скачок уплотнения 2 взаимодействует с границей струи и отражается от нее веером волн разрежения. В результате подобного взаимодействия распределение газодинамических параметров становится подобным параметрам течения струи на выходе из сопла (различие в давлениях струи и окружающей среды на её границе). Это может привести к повторному образованию подобной ударно-волновой структуры - новой газодинамической ячейки, если потеря полного давления на скачках была недостаточно сильной. Иначе же за бочкой давление может быть близким к давлению окружающей среды и струя становится изобаричной.
Струйный модуль гиперзвуковой аэродинамической трубы т-326 итпм со ран и система автоматизированного сбора данных
Все существующие способы снижения акустического шума струи основываются на одном или комбинации нескольких физических подходов, основанных на понимании физических механизмов генерации звука и способов его распространения: 1. Снижение средней скорости струи. Снижение скорости струи приводит к общему уменьшению энергии шума акустических источников струи, т.к. интенсивность их излучения имеет степенную зависимость от числа Маха. 2. Снижение градиента средней скорости. Уменьшение градиента скорости способствует к снижению доли сдвигового шума струи. 3. Преломление, отражение и экранирования шума струи в нужных направлениях. 4. Изменение ударно-волновой структуры струи. Управление ударно-волновым шумом неизобарических сверхзвуковых струй можно осуществлять путем перестройкой структуры скачков уплотнения в потоке струи. 5. Управление развитием турбулентности в слое смешения струи. Данный способ предполагает подавление или перераспределение по частотам турбулентных структур в потоке струи путем какого-либо физического воздействия, что приводит к изменению частотного баланса энергии акустического излучения струи. Также к данному способу стоит отнести искусственное нарушение резонансных условий для генерации шума. 6. Взаимное подавление турбулентности или акустических волн при их сложении с противофазными (активный метод подавления шума).
Известные способы управления шумом включают в себя экранирование струи газовым экраном [24], секторные сопла, многотрубчатые насадки, использование периодических электрических разрядов, акустического воздействия, впрыск жидкости в поток основной струи, различные активные методы [35] и методы, использующие генерацию продольных вихрей при помощи дольчатых смесителей, эжекторных сопел, табов, шевронов, вдува микроструй.
Газовый экран. Данный способ снижения шума струи основан на обдуве высокоскоростной струи более медленным кольцевым потоком. При этом снижается поперечный градиент средней скорости и уровень турбулентности, что приводит к уменьшению сдвигового шума. Этот способ шумоглушения характерен для двухконтурных воздушно-реактивных двигателей самолетов. Дополнительное снижение шума высокоскоростной струи можно получить, если экранирующая кольцевая струя будет горячей. Это приведет к снижению шума благодаря отражению и преломлению звука при прохождении через слой движущегося газа с градиентами средней скорости и температуры.
Слой движущегося подогретого газа, расположенный между струей и наблюдателем, выполняет роль преграды на пути распространения звука. При этом отражающие свойства экрана могут быть улучшены увеличением его толщины и разности акустических импедансов слоя и окружающей среды.
Основные закономерности, характеризующие зависимость экранирующей способности газового потока от его термодинамических параметров и условий распространения звука, заключаются в следующем. С увеличением угла падения звука экранирующая способность слоя возрастает; на низких частотах при малой толщине слоя акустическая эффективность невелика, с увеличением толщины слоя эффективное отражение звука обнаруживается в более широком диапазоне частот; с увеличением температуры и скорости движения слоя акустическая эффективность возрастает.
Результаты экспериментальных исследований показали, что снижение шума струи благодаря применению только газового экрана достигает величины 20 дБ в области высоких частот.
Многотрубчатый насадок. При установке на срезе сопла многотрубчатого насадка происходит замена исходной струи несколькими более мелкими, что приводит к снижению общей акустической мощности потока, уменьшению доли низкочастотных и увеличение доли высокочастотных составляющих в спектрах шума (рис. 1.16). Наиболее эффективно применение многотрубчатого насадка в области максимальной интенсивности акустического излучения (=50..60 ). Рис. 1.16. Снижение шума струи при использовании многотрубчатого насадка d=0.2Da, n=19, где 1- исходная струя, 2- струя с насадком [24]
Течение в зоне смешения струи можно представить в виде двух участков. На первом, начальном участке, истечение струек из каждой трубки происходит независимо друг от друга. Внешние струйки экранируют шум внутренних струек, что приводит к меньшей суммарной энергии акустического излучения начального участка по сравнению с общей энергией шума всех струек в пределах этого участка. Течение на втором, основном, участке можно представить в виде некоторой эквивалентной круглой струи, параметры которой определяют из условия постоянства количества движения.
При условии равенства суммарной площади среза сопел трубок насадка и площади среза исходного круглого сопла справедливо следующее соотношение: , где н - характерная частота шума струи с насадком; частота шума исходной струи; п - число трубок насадка. Увеличение числа трубок и, следовательно, уменьшение их диаметра d вызывают смещение спектра шума в область более высоких частот [24].
Рост уровня шума в области высоких частот, вызываемый применением многотрубчатого насадка, замедляется при увеличении скорости эжектируемого воздуха, т.е. при уменьшении градиента средней скорости в зонах смещения отдельных струек. Поэтому важнейшим параметром, определяющим акустическую эффективность многотрубчатого насадка, является отношение площади, ограничивающей насадок, к площади среза исходного сопла или расстояние между отдельными струйками. Экспериментально установлено, что максимальное снижение шума наблюдается при расстоянии между трубками, равном приблизительно их диаметру.
Метод оценки акустической эффективности многотрубчатого насадка основан на представлении суммарной акустической мощности в виде суммы акустических мощностей начальных участков отдельных струек и акустической мощности эквивалентной круглой струи без учета излучения от начального участка.
Также существует подход по снижению шума струи в виде использования секторного сопла. Такое сопло содержит рассекатели, вводимые в струю, -плоские перфорированные пластины, устанавливаемые на центральном теле [36] (рис. 1.17). Использование рассекателей приводит к снижению шума в области низких частот и смещению максимума шума в область высоких частот.
Радиальные профили измеренного полного давления
Из обзора литературы можно сделать вывод о сложности структуры высокоскоростных струй, включающей в себя области высокоградиентного течения, скачков уплотнения, слоев смешения и развивающихся в них вихревых структурах, так и их акустического излучения. Показана необходимость поиска перспективных методов управления шумом струй, их дальнейшего исследования.
Стоит отметить возникающие противоречия в объективных оценках эффекта от применения тех или иных способов управления шумом струй. Они вызваны в частности указанием только суммарной величины шума, зависящей от геометрических и газодинамических параметров установки и измерительных приборов, которые в различных экспериментах отличаются. Или же данные приводятся для одной конкретной точки наблюдения, что недостаточно для того, чтобы сделать обоснованные выводы о механизме и эффекте от примененной методики управления акустическим излучение струи.
Целью данной работы является уточнение механизма воздействия и особенностей способа управления акустическим излучением высокоскоростных струй – вдувом микроструй в поток основной струи.
Задача исследования заключается в детальном выяснении изменения стационарной структуры высокоскоростной струи при взаимодействии с микроструями, что ранее не выполнялось. Это является важным фактором в процессах массообмена и формирования акустического излучения струи, т.к. механизмы звукообразования тесно связаны с флуктуациями течения в слое смешения струи и её ударно-волновой структурой. Определяется эффект, который будет достигнут при использовании вдува микроструй, в зависимости от их параметров.
Попытки найти эффективный способ управления процессами смешения и акустического излучения высокоскоростных струй являются актуальными с давних пор и встают особо остро в настоящее время. Поэтому в диссертации выполнено параметрическое исследование влияния вдува микроструй и шевронов с различными газодинамическими/геометрическими параметрами на уровень, спектр акустического шума в дальнем поле сверхзвуковой недорасширенной струи. Исследованы особенности влияния вдува микроструй на диаграмму направленности акустического излучения струи и выполнено сопоставление с идеологически схожим устройством управления шумом – шевронами, которые нашли применение в коммерческих изделиях.
В диссертации приводятся данные о влиянии микроструй, вдуваемых в основной поток, на стационарную структуру сверхзвуковой недорасширенной струи. Изучение структуры основано на численном расчете, который верифицируется по данным экспериментального исследования. Эксперимент в свою очередь проведен с использованием комплекса надежных и апробированных методов измерения стационарных характеристик течения в сочетании методов зондирования потока приемниками полного давления, визуализации течения. С целью увеличения точности измерений проводились многократные калибровки датчиков давления и пульсаций давления. Результаты исследования позволяют улучшить понимание влияния вихрегенераторов на структуру и акустическое излучение высокоскоростной струи.
На рис. 2.6. представлена блок-схема измерений на струйном модуле аэродинамической трубы Т-326. Автоматизированная система 6 сбора данных эксперимента основана на использовании многофункциональной платы PCI 1710HG фирмы “Advantech”, с 12- разрядным аналого-цифровым преобразователем. Программа сбора экспериментальных данных позволяет управлять координатником в автоматическом режиме, регистрировать давление в форкамере установки (P0) и в рабочей камере установки Pc, а также давление, измеряемое трубкой Пито (Pt). Дополнительно измеряются температура торможения в форкамере струйного модуля (T0) и температура в рабочей камере (Tc). Программа сбора данных позволяет повысить точность измеряемых величин применением функции предварительной обработки информации, а именно, использованием данных измерения в каждой точке как результат многократного измерения. Точность измерения давления составляет 0.1 %.
Для перемещения приемников давления использовался радиально-азимутальный координатник [67], закрепленный на внешней поверхности сопла. Координатник обеспечивает перемещение приемников давления (трубки Пито) в радиальном направлении г, по азимутальному углу в диапазоне 0 360, а также вдоль оси струи х. Точность перемещения по радиусу составляет 0.01 мм, по продольной координате - 0.1 мм, по азимутальному углу - 0.2. Перемещение трубки Пито по координатам г, осуществляется с использованием шаговых двигателей и специальных безлюфтовых шестереночных передач. Управление координатником осуществляется с помощью специального пульта управления автоматизированным координатником, который может работать как в ручном режиме, так и в автоматическом режиме по заданной программе. С целью увеличения точности поддержания постоянного газодинамического режима во время проведения эксперимента на пульт управления аэродинамической трубы с применением порта RS-237 передается информация о величине давления и температуры в форкамере и в камере давления (рабочей камере аэродинамической трубы).
Спектр шума сверхзвуковой недорасширенной струи ma=1 npr=5
При этом при движении вниз по течению происходит постепенное изменение газодинамических параметров в периодически переотражающихся волнах разрежения и сжатия x/Ra=3.27 - 3.8 (рис. 2.33-2.34), образующихся при достижении волн разрежения противоположной границы слоя смешения и отражения от неё до тех пор, пока они не размываются.
Впервые выполнено детальное исследование сложной ударно-волновой структуры сверхзвуковой недорасширенной струи, взаимодействующей с искусственно созданными продольными вихрями. Выводы к главе 3 Выполнено экспериментальное и численное исследование структуры течения сверхзвуковой недорасширенной струи с поперечным вдувом 6-ти микроструй. Показано, что данные эксперимента и численного расчета удовлетворительно согласуются.
Впервые выполнено детальное исследование сложной ударно-волновой структуры сверхзвуковой недорасширенной струи, взаимодействующей со сверхзвуковыми микроструями.
Вдув микроструй способствует сокращению длины газодинамических бочек и интенсификации процессов смешения на начальном участке основной струи. Микроструи способствуют генерации продольных крупномасштабных вихрей, придающих внешнему слою смешения струи “грибовидную” форму. Продольные искусственно созданные вихри, образованные при взаимодействии микроструй с потоком основной струй, сначала растут до x/Ra2, а затем затухают, и при x/Ra=2.73 наблюдается существенное уменьшение значения продольной завихренности. Далее вниз по течению струи в силу отсутствия парных продольных вихрей происходит размытие внешней границы слоя смешения, что проявляется разрушением грибовидной структуры течения.
Экспериментальное исследование влияния вихрегенераторов на акустическое излучение сверхзвуковой недорасширенной струи
Результаты эксперимента по исследованию влияния вихрегенераторов на акустический шум сверхзвуковой струи вынесены в две части: параметрическое исследование влияния вихрегенераторов на звуковое излучение струи и исследование их влияния на диаграмму направленности шума струи.
Параметрическое исследование влияния вдува микроструй и шевронов на акустическое излучение сверхзвуковой недорасширенной струи
В данной главе представлены данные экспериментального исследования влияния вдува микроструй различной интенсивности и двух конфигураций шевронных насадков на акустическое излучение сверхзвуковой недорасширенной струи и одной точке в дальнем акустическом поле.
В работе выполнено измерение спектра акустического шума невозмущенной струи Ma=1 Npr=5, который представлен на рис. 4.1. Где по оси ординат отложены уровни пульсаций давления в дБ, по нижней оси абсцисс отложены частота , по верхней – безразмерное число Струхаля Sh, рассчитанное по параметрам потока на срезе основного сопла. Спектр шума струи с данным режимом истечения обладает двумя высокоамплитудными “горбами” в низкочастотной области (шум смешения и ударно-волновой шум) и интенсивной дискретной составляющей с основным тоном при Sh=0.3 (3 кГц) и двумя обертонами с Sh=0.6, 0.9.
При включении микроструй умеренной интенсивности Npr=2, 4, 6 форма спектра шума существенно не изменяется, но происходит понижение уровня низкочастотного шума для Sh 1.65 пропорционально расходу через микроструи и повышение высокочастотного Sh от 1.65 до 3.67 (рис.4.3). Уменьшение уровней в низкочастотной составляющей спектра может быть связано со снижением роста крупномасштабных когерентных структур струи. Однако, усиление смешения генерирует вихри мелких масштабов, которые быстро диссипируют, при этом увеличивая высокочастотную составляющую спектра. Явление усиления высокочастотного шума при использовании вихрегенераторов в авиастроении носит название высокочастотного штрафа. Для данных режимов истечения наблюдается полное подавление дискретного тона.
Влияние вдува микроструй Nprj=2,4,6 на спектр шума основной струи Минимальное значение интенсивности микроструй при котором наблюдается полное подавление дискретного тона в спектре акустического шума струи соответствует режиму истечения воздуха из микросопел близкого к Nprj=1.5. При меньших значениях Nprj дискретный тон ослабляется, но полностью не исчезает (рис.4.4). Влияние микроструй на дискретную составляющую спектра связывают с экранировкой струи крупными продольными вихрями и как следствие разрушением обратной акустической связи
