Диссертация (Снижение шума блочной сверхзвуковой струи с возможным догоранием топлива при помощи инжекции воды)

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТНа правах рукописиБакулев Владимир ЛеонидовичСНИЖЕНИЕ ШУМА БЛОЧНОЙ СВЕРХЗВУКОВОЙ СТРУИС ВОЗМОЖНЫМ ДОГОРАНИЕМ ТОПЛИВА ПРИПОМОЩИ ИНЖЕКЦИИ ВОДЫСпециальность 01.02.05 —«Механика жидкости, газа и плазмы»Диссертация на соискание учёной степеникандидата физико-математических наукНаучный руководитель:д. ф.-м. н., профессорМатвеев С. К.Санкт-Петербург — 20162ОглавлениеCписок сокращений и условных обозначений . . . . . .

. . . . . . . . . .4Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .61 Шум сверхзвуковых струй и способы его снижения . . . . . . . . . . 151.1 Структура сверхзвуковых турбулентных струй . . . . . . . . . . . . 151.2 Акустика струйных течений . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . 201.3 Источники шума сверхзвуковой струи . . . . . . . . . . . . . . . . . 261.3.1Шум смешения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271.3.2Широкополосный ударно-волновой шум . . . . . . . . . . . 291.3.3Дискретный тон . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . 301.4 Способы снижения шума реактивных струй . . . . . . . . . . . . . 321.4.1Изменение формы кромки сопла . . . . . . . . . . . . . . . . 331.4.2Вдув коаксиального потока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351.4.3Акустическое воздействие . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . 361.4.4Вдув микроструй воздуха . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361.5 Снижение акустических нагрузок с помощью инжекции воды . . . 371.6 Выводы главы 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422 Экспериментальная установка и методика обработки результатов . 442.1 Экспериментальная установка . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . 442.2 Двигательная установка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 472.3 Система измерений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 492.4 Система видеорегистрации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5132.5 Программа испытаний . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . 522.6 Методика обработки результатов акустических измерений . . . . . 542.6.1Общий уровень звукового давления . . . . . . . . . . . . . . 542.6.2Спектральный анализ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 552.7 Методика численного моделирования . .

. . . . . . . . . . . . . . . 592.8 Выводы главы 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 633 Результаты экспериментов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 643.1 Общий уровень звукового давления . . . . . . . .

. . . . . . . . . . 643.1.1Испытания №1 и №2 («сухие» испытания) . . . . . . . . . . 653.1.2Испытание №3 (с инжекцией воды под углом 0 ) . . . . . . 703.1.3Испытание №4 (с инжекцией воды под углом 60 ) . . . . . . 733.2 Спектральный анализ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. 763.2.1Локальный спектр акустической энергии . . . . . . . . . . . 763.2.2Глобальный спектр акустической энергии . . . . . . . . . . . 843.3 Сравнение результатов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 893.4 Выводы главы 3 . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 944 Генерация дискретного тона . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 964.1 Анализ экспериментальных данных . . . . . . . . . . . . . . . . . . 964.2 Модель генерации дискретного тона . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1024.3 Выводы главы 4 . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . 107Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110A Акт внедрения результатов исследования . . . . . . . . .

. . . . . . . 1224Cписок сокращений и условных обозначенийЛатинские буквы— скорость звука;∞— скорость звука в окружающей среде;— скорость звука в выходном сечении сопла;— удельная теплоемкость при постоянном давлении;— диаметр выходного сечения сопла;*— диаметр критического сечения сопла;— частота;— частота дискретизации сигнала;— коэффициент теплопроводности;Σ— общий уровень звукового давления; = /— число Маха в выходном сечении сопла; = /∞— конвективное число Маха; = /∞— нерасчетность струи;— давление;0— давление в камере сгорания;— давление в выходном сечении сопла;∞— давление в окружающем пространстве;— расстояние до выходного сечения сопла;— газовая постоянная; = /— число Рейнольдса;— масштаб вейвлетного преобразования;5 = /— энтропия;— число Струхаля;0— температура торможения;— температура в выходном сечении сопла;∞— температура в окружающем пространстве;— тензор напряжений Лайтхилла;— время;— скорость истечения струи;— скорость конвекции вихрей;— компонента скорости;— вейвлет-преобразование;— акустическая мощность струи.Греческие буквы— показатель адиабаты;— символ Кронекера;— угол относительно оси струи;— плотность;— тензор вязких напряжений;0— материнская вейвлетная функция.СокращенияОУЗД— общий уровень звукового давления;РДТТ— ракетный двигатель на твердом топливе;РКН— ракета космического назначения.6ВведениеЗадачи по изучению космоса требуют непрерывного увеличения мощностидвигательных установок ракет космического назначения (РКН), что неизбежноприводит к росту аэродинамического шума.

Акустическое поле, генерируемоеРКН во время старта, вызывает сильные виброакустические напряжения как накорпусе ракеты, так и на стартовых сооружениях, что может привести к их усталостному разрушению. Также серьезную опасность вызывает факт совпадениячастотного спектра акустического излучения струи со спектром собственных частот агрегатов и приборов РКН, что может привести к резонансу.Во многих случаях уровни акустических нагрузок на РКН невозможно спрогнозировать и они могут быть выявлены только в ходе натурной отработки.

Этосвязано с необходимостью учета не только усредненных газодинамических, нои пульсационных параметров течения. Другими словами, для описания акустического поля, создаваемого РКН во время старта и, в частности, сверхзвуковойструей, необходимо решить полные уравнения Навье-Стокса. Численная реализация связана с необходимостью очень подробного пространственного и временного разрешения, что требует огромных вычислительных ресурсов, которыене будут доступны в ближайшем будущем. Поэтому единственным возможнымвариантом оценки интенсивности акустического излучения, а также способовуправления акустическим полем, является эксперимент.

Однако проведение исследований на натурных объектах связано с огромными техническими и экономическими затратами, в связи с чем испытания, как правило, проводятся намасштабных экспериментальных установках.7Для радиоэлектронной и микроэлектронной аппаратуры в головной частиРКН, в том числе полезного груза, опасным считается общий уровень акустического давления выше 140 дБ. Основной причиной отказа аппаратуры при действии акустического шума является возбуждение недопустимо больших вибраций, передающихся по конструкции от работающей двигательной установки, атакже возникающих в результате взаимодействия акустического поля газовойструи с корпусом РКН. Эти факторы приводят к жестким ограничениям на допустимые акустические нагрузки, и, как следствие, к требованиям их снижения.В настоящее время проблема снижения акустического воздействия на экипажРКН является одной из главных проблем пилотируемых полетов.Исследования методов снижения акустического шума сверхзвуковых струй,главным образом, связаны с задачами авиации.

Связано это с природоохранным законодательством, которое регламентируется нормативными требованиямиПриложения 16 Стандарта международной организации гражданской авиации(ИКАО). Таким образом, методы снижения шума, разработанные для авиации,в первую очередь решали задачу уменьшения воздействия именно на окружающую среду, и только потом на сам корпус самолета. В связи с чем многиеавиационные методы не пригодны для ракетной техники, где главной задачейявляется снижение акустического воздействия на головную часть РКН, т. е. шума, излучающегося в направлении вверх по течению.Снижение акустических нагрузок на РКН может быть реализовано путемприменения так называемых пассивных методов, которые уменьшают интенсивность уже образовавшегося шума, и в частности применением звукопоглощающих материалов.

Такое решение повлечет за собой увеличение массы головногоотсека, и как следствие снижение энергомассового совершенства РКН, что длязащиты от кратковременного процесса является нецелесообразным. Поэтому оптимальным решением задачи признаны методы, которые не вносят изменений вконструкцию РКН, и предполагают расположение дополнительного оборудования на стартовой площадке. В экспериментальном направлении за последнее8время все большее значение приобретают вопросы снижения акустического излучения высокоскоростных реактивных струй с помощью инжекции воды в слойсмешения, которому посвящена представленная работа.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-заотсутствия расчетных моделей сложно прогнозировать его эффективность приизменении конфигурации сопел.

Так, РКН тяжелого и сверхтяжелого классовимеют, как правило, блочную компоновку сопел двигательных установок первойступени, что приводит к изменению характера генерации акустического поля посравнению с односопловыми двигательными установками. Исследования особенностей излучения шума блочных сверхзвуковых струй крайне ограниченыи 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 постепенноеохлаждение 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, чтосущественно изменяет газодинамические параметры в струе. Источники шумасверхзвуковых струй, вызванные физико-химическими процессами и, в частности, догоранием топлива, в настоящее время практически не изучены.Таким образом, решение задач по снижению акустических нагрузок пристарте РКН требует разработки новых технических систем для стартовых комплексов.

Это делает актуальным исследование снижения акустического шумаблочной сверхзвуковой струи с возможным догоранием топлива в направлениивверх по течению при помощи инжекции воды в слой смешения.Объектом исследования является блочная сверхзвуковая струя, а предметомисследования — акустический шум блочной сверхзвуковой струи с возможнымдогоранием топлива, излучающийся в направлении вверх по течению.9Целью 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:1.

Разработка методики проведения экспериментального исследования влияния инжекции воды в слой смешения блочной сверхзвуковой струи наакустический шум, излучающийся в направлении вверх по течению;2. Разработка методики обработки результатов акустических измерений, позволяющей анализировать динамику акустического излучения в зависимости от изменения параметров струи;3. Экспериментальное исследование влияния геометрических характеристикинжекции воды на акустическое поле блочной сверхзвуковой струи, излучающееся в направлении вверх по течению;4. Экспериментальное определение источников шума блочных сверхзвуковых струй, связанных с догоранием топлива в слое смешения, разработкаматематической модели излучения и определение влияния инжекции водына акустическое излучение этих источников.Научная новизна работы.