Введение к работе
Актуальность. В настоящее время в связи с возрастающими экологическими требованиями к самолетам гражданской авиации все более ужесточаются нормы по шуму самолетов на местности. Одним из основных источников шума самолета является выхлопная струя. В турбореактивных двигателях (ТРД), где температура выхлопной струи обычно составляет 600-г-ЭООК, а скорость истечения 500-5-600 м/с,, струя является доминирующем источником шума самолета на местности. Для двухконтурных турбореактивных двигателей (ТРДД) характерные скорости истечения составляют 350ч-450м/с, температуры — 400-ь450К. При этих условиях истечения струя уже не является доминирующим источником шума, на первое место выходит проблема шума вентилятора. Однако, успешные мероприятия по снижению шума вентилятора (применение многослойных звукопоглощающих конструкций и др.) привели к тому, что в задней полусфере шум струи является определяющим фактором даже для двигателей с высокой степенью двухконтурности. Интерес к проблеме шума выхлопной струи сильно возрос за последнее время в связи с тем, что в течение последних 5—6—ти лет рядом советских и зарубежных фирм прорабатываются различные проекты создания сверхзвуковых пассажирских самолетов (СПС) второго поколения, для которых применение двигателей с большой степенью двухконтурности практически не представляется возможным из —за их низкой экономичности на крейсерском режиме. Поэтому в качестве одного из основных вариантов для СПС рассматриваются двигатели с низкой степенью двухконтурности и устройствами снижения шума выхлопной струи.
В современных двигателях на выходе из сопла формируются сложные распределения скорости и температуры. Поэтому работа, направленная на развитие теории генерации звука аэродинамическими источниками и методов расчета шума турбулентной струи при осложненных условиях истечения, а также методов снижения шума выхлопных струй представляется необходимой и актуальной. Решению этой задачи посвящена настоящая диссертация.
Целью работы является исследование закономерностей образования аэродинамического шума в турбулентных дозвуковых струях при сложном распределении скорости и температуры на срезе сопла.
Научная новизна работы состоит в следующем.
На основе проведеного комплексного экспериментально— расчетного исследования особенностей акустического поля турбулентных дозвуковых струй со сложными профилями скорости и температуры, анализа уравнений генерации звука турбулентными потоками и структуры течения турбулентных струй разработана модель локальных источников для расчета акустического поля струй при осложненных условиях истечения. Установлена связь локальных характеристик турбулентности с акустическим полем струи. Показано, что в качестве основных параметров турбулентности, определяющих акустическую мощность локального источника, можно выбрать энергию турбулентности и турбулентную вязкость.
Проведено экспериментальное исследование скорости конвекции источников звука в потоках при различных условиях истечения: струи газа малого молекулярного веса, соосные струи, струи за лепестковыми насадками. Результаты измерений показали,
что в основных зонах излучения шума, общая скорость конвекции совпадает с местной скоростью независимо от условий истечения струи. Отличие скорости конвекции от средней скорости потока в невозмущенных ядрах потока, на периферии струи обусловлено дальнодействием крупных вихрей, перемещающихся в областях с высокой интенсивностью турбулентности.
На основании анализа экспериментальных данных по шуму неизотермических соосных струй показано, что для обобщения результатов измерений необходимо применять сравнение с уровнями шума струи с полным смешением потоков до выхода из сопла.
Исследованы акустические и газодинамические
характеристики струй за шумоглушащими соплами с центральным телом. Показано, что участок излучающий около 85% акустической энергии составляет величину порядка двух эквивалентных диаметров.
Проведено экспериментальное и теоретическое исследование особенностей перехода от ближнего акустического поля к дальнему. Показано, что ряд характерных особенностей ближнего поля может быть удовлетворительно описан при помощи чисто акустических моделей излучения. Предложена акустическая модель для расчета характеристик ближнего поля.
Практическая ценность. На основе проведенного исследования разработана модель локальных источников, позволяющая предсказывать акустические характеристики выхлопных струй со сложными профилями скорости и температуры на ранних стадиях проектирования авиационных двигателей. В диссертационной работе проведено теоретическое обобщение большого количества экспериментальных данных по
акустике турбулентных струй и решен ряд практических задач
связанных с излучением шума выхлопными струями современных двигателей, в том числе, по ближнему акустическому полю струи двигателя ПС —90, по шумоглушащим многолепестковым соплам применительно к разработкам НПО "Сатурн".
Основные научные положения, выносимые на защиту.
обоснование возможности локального подхода к исследованию особенностей излучения шума турбулентными течениями.
модель локальных источников, позволяющая определять по предварительно расчитанному полю течения мощность акустического излучения, диаграмму направленности и спектральные характеристики акустического поля струй при неравномерных профилях скорости и температуры потока.
обобщение результатов экспериментального исследования скорости конвекции источников звука в потоках при осложненных условиях истечения: струи газа малой плотности, соосные струи, струи за лепестковыми насадками.
обобщение результатов измерений шума неизотермических соосных струй при помощи сравнения с уровнями шума струи с полным смешением.
акустическая модель для расчета характеристик ближнего поля, учитывающая время запаздывания в пределах локального источника, вызванного конвекцией пульсаций скорости.
Апробация. Научные положения и выводы, сформулированные в диссертации, были представлены на обсуждение в более чем 20 докладах на X—XI Всесоюзных акустических конференциях (1983 — 1988гг.), на VI Всесоюзном съезде по торетической и прикладной механике (1986), а также на VI—X отраслевых конференциях
7 авиационной акустике (1978—1992 гг.). По результатам работы
опубликовано: 14 печатных работ во всесоюзных и отраслевых
издательствах, 18 научно—технических отчетов, получено одно
авторское свидетельство.
Список работ по теме диссертации приводится в конце
автореферата.
Структура и объем диссертапии. Работа состоит из введения, трех
глав, заключения, приложения и списка использованной
литературы. Объем диссертации составляет 158 страниц, включая
70 рисунков и список литературы из 67 наименований.