Диссертация (1150757), страница 12
Текст из файла (страница 12)
Можно выделить следующие этапы (рисунок 4.5):Рисунок 4.5: Схема генерации дискретного тона1. На границе струи, в состав которой входят недоокисленные компонентыпродуктов сгорания 2 и , у выходного сечения сопла развивается неустойчивость Кельвина-Гельмгольца. Таким образом, благодаря турбулентной диффузии происходит перемешивание топлива и кислорода, который содержится ввоздухе.
В результате образуется вихревая структура, состоящая из горючегои окислителя, которая движется с конвективной скоростью . Важной особенностью является то, что перемешивание в межсопловых областях происходит103интенсивней, 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 спектреакустического 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], низкочастотноеакустическое излучения, направленное на зону выхода струи из сопла, способносильно увеличить интенсивность турбулентного смешения.2. Вихревая структура в межсопловом пространстве, в которой происходит перемешивание компонентов уже до молекулярного масштаба, движется послою смешения с конвективной скоростью .3. В зоне взаимодействия струй происходит постепенный нагрев топливовоздушного вихря, компоненты которого уже смешались до состояния, необходимого для воспламенения. В результате, когда температура топливовоздушного вихря превышает температуру, необходимую для начала реакциигорения, происходит возгорание.4.
Фронт горения распространяется по всей зоне перемешивания струй, врезультате образуется огненный факел.5. С гидродинамической точки зрения фронт пламени рассматривается какскачок плотности, поэтому, когда происходит воспламенение топлива во всейзоне смешения, генерируется сильная акустическая волна.6. Акустическая волна воздействует на начальный участок струи и кратковременно усиливает процесс развития неустойчивости, что интенсифицирует образование вихря из топливо-воздушной смеси. Таким образом, горение топливапроисходит не равномерно, а частями.Такое же перемешивание происходит и по внешнему периметру струй, нонамного медленней, что приведет к более позднему возгоранию.
Т. е. основнуюроль в генерации дискретного тона играет перемешивание именно в межсопловой области.104Таким образом, делая предположение о малости периода развитии реакциигорения, период излучения дискретного тона можно представить в следующем виде: = + ,(4.2)где — время движения вихря от зарождения до воспламенения, а — времядвижения акустической волны от огненного факела струи до выходного сечениясопла.
Выражая и через конвективную скорость переноса вихрей искорость звука в окружающем пространстве ∞ , перепишем выражение в виде1(︁ 11 )︁=+, ∞(4.3)где - расстояние до места воспламенения топливо-воздушного вихря.Для описания шума нерасчетной струи обычно вводят число Маха эквивалентной струи , которое соответствует числу Маха расчетной струи приизоэнтропическом расширении струи от 0 (давление в камере сгорания) до (статическое давление в окружающей среде) и находится из соотношения:( ) = (1 + − 1 2 − −1 )= .20(4.4)В нашем случае = 1 атм., а 0 — значения давления в камере сгорания двигательной установки, полученные в испытаниях №1 и №2.
Расчет конвективнойскорости является чрезвычайно сложной задачей и в настоящее время остается нерешенной, поэтому воспользуемся эмпирической оценкой / = 0.7 [111],а определим по формуле:√︂ = = − 1 2 )︁−1 1 +0 .2(︁Скорость звука окружающей среды ∞ = 330 м/с и постоянна.(4.5)105Зона интенсивных химических реакций проявляется свечением — химической люминесценцией [109], которую можно наблюдать на киносъемке. Из анализа этих видеозаписей можно сделать вывод, что воспламенение происходитна расстоянии ≈ 4 , где — расстояние от выходного сечения сопла додиска Маха, который хорошо виден в испытаниях.
Связано это с тем, что за диском Маха течение становится дозвуковым [112], в результате происходит резкийнагрев продуктов сгорания, который проявляется свечением. В связи с этим положим, что = 4 . Для оценки воспользуемся эмпирической формулойдля конических сопел с углом полураствора меньше 17 [113]:√︀√= 0.85 + 1.05 tan − 1.4.(4.6)Основным недостатком вышеописанной методики расчета параметров в первой «бочке» сверхзвуковой струи является то, что она основывается на эмпирических соотношениях.
В связи с чем для получения более достоверных результатов проводился численный расчет расстояния до диска Маха и скоростипотока за косым скачком уплотнения , методика которого описана в главе 2.На рисунке 4.6 представлены результаты эмпирического и численного расчетов в сравнении с экспериментальными данными. Видно, что несмотря насерьезные допущения, модель имеет хорошее совпадение с экспериментальными данными, причем, численная модель ближе к эксперименту, чем эмпирическая. Важным свойством представленной модели является ее удовлетворительное описание динамики дискретного тона.По результатам испытаний с инжекцией воды по сделать вывод, что подачаводы параллельно оси струи не влияет на участок, в котором происходит движение топливо-воздушного вихря, и, таким образом, не влияет на зарождениеколебаний огненного факела струи.
В этом случае вода взаимодействует уже спульсирующим факелом и поэтому только уменьшает его амплитуду. В свою106а) Испытание №1б) Испытание №2) и численной () моделейРисунок 4.6: Сравнение эмпирической (генерации дискретного тона с экспериментальными данными ()107очередь инжекция воды под углом 60 обрывает процесс зарождения топливовоздушного вихря и тем самым ликвидирует процесс догорания топлива.4.3Выводы главы 4В данной главе описан механизм генерации дискретного тона, вызванногодогоранием недоокисленных компонентов топлива в слое смешения блочнойсверхзвуковой струи. В результате установлена аналогия с механизмом, которыйописал Пауэлл в применении к излучению дискретного тона нерасчетными струями. Основное отличие заключается в следующем: во-первых, в турбулентныхвихрях, образованных у кромки сопла и движущиеся вниз по течению, происходит перемешивание компонентов топлива, содержащегося в выхлопных газах, иатмосферного кислорода, в во-вторых, акустическая волна, обеспечивающая обратную связь, образуется в результате воспламенения топливо-воздушной смеси.Важной особенностью является дополнительное влияние излучения волн Маха соседними струями на интенсивность перемешивание компонентов топливовоздушной смеси в турбулентных вихрях.
Разработанная математическая модельпоказала хорошее соответствие с экспериментальными данными.108ЗаключениеВ работе проведено экспериментальное исследование влияния инжекции воды на акустический шум блочной сверхзвуковой струи с возможным догораниемтоплива, излучающийся в направлении вверх по течению. Получены следующиерезультаты:1. Догорание топлива в блочной сверхзвуковой струе приводит к значительному возрастанию ОУЗД. Так, в присопловой области ОУЗД мог увеличиться на 15 дБ и достигать значения 171 дБ, а на головной части моделиРКН на 20 дБ и достигать 159 дБ.
Связано это с тем, что догорание топлива провоцирует появление дискретной составляющей в спектре акустического шума, частота которой монотонно зависит от давления в камересгорания двигательной установки;2. Инжекция воды под углом 0 не приводит к подавлению процесса догорания топлива, а лишь снижает его интенсивность, в результате чего такжепроисходит рост ОУЗД. В происопловой зоне увеличение ОУЗД могло составлять 3 дБ и доходить до 158 дБ, а на головной части РКН составлять9 дБ и доходить до 143 дБ.
В свою очередь инжекция под углом 60 обрывает механизм горения недоокисленных компонентов топлива, что приводитк ликвидации дополнительных источников шума, вызванных догоранием,в результате ОУЗД практически не изменяется;3. При работе двигательной установки без догорания топлива наиболее эффективным в снижении акустического шума в присопловой области явля-109ется инжекция воды под углом 60 , уменьшая ОУЗД в среднем на 4.7 дБ,тогда как подача воды под углом 0 практически не влияло на него.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
