Диссертация (1150757), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Основной научный результат диссертационнойработы 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:1. Разработана методика проведения испытаний, которая позволила определить оптимальные с точки зрения снижения шума углы инжекции воды вслой смешения сверхзвуковой блочной струи.
Установлено, что инжекцияводы под углом 60 относительно оси струи более эффективна в присопловой зоне модели РКН, тогда как в головной части наибольшее снижение10интенсивности акустического излучения наблюдалось при инжекции водыпараллельно оси струи;2. Впервые детально исследовано акустическое поле блочных сверхзвуковыхструй с догоранием топлива. Установлено, что догорание топлива можетпривести к значительному увеличению интенсивности акустического излучения за счет генерации дискретного тона;3. Впервые разработана математическая модель генерации дискретного тонаблочной сверхзвуковой струей с догоранием топлива.Научная и практическая значимость.
Научная значимость заключается вразвитии теории акустического излучения сверхзвуковыми струями. Результатыисследования могут быть использованы при проектировании систем сниженияакустических нагрузок для стартовых комплексов перспективных РКН тяжелогои 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:1.
Результаты экспериментального исследования снижения акустическогошума блочной сверхзвуковой струи, излучающегося в направлении вверхпо течению, при помощи инжекции воды в слой смешения;2. Результаты экспериментального исследования особенностей акустическогополя блочной сверхзвуковой струи с догоранием топлива;3. Математическая модель генерации дискретного тона блочной сверхзвуковой струей с догоранием топлива.11Экспериментальные данные, используемые в работе, помимо автора получены сотрудниками АО «КБСМ» А.
М. Воробьевым, А. Т. Макавеевым, А. Б. Кузнецовым и сотрудниками филиала ФГУП «ЦЭНКИ» — НИИСК А. Б. Бутом,Т. О. Абдурашидовым.Апробация работы. Результаты исследования докладывались и обсуждалисьна следующих научных конференциях и семинарах:1. Международная конференция по механике «Шестые Поляховские чтения»(Санкт-Петербург, 2012 г.);2. III научно-техническая конференция молодых ученых и специалистов«Старт в будущее» (Санкт-Петербург, 2013 г.);3.
Научно-технический семинар по вопросам разработки и создания системыэксплуатации космодрома «Восточный» (Санкт-Петербург, 2013г.);4. Молодежная конференция «Новые материалы и технологии в ракетнокосмической и авиационной технике» (Звездный городок, 2013г.);5.
Х международная научно-техническая конференция «Технические средства противодействия террористическим и криминальным взрывам»(Санкт-Петербург, 2014 г.);6. Международная научно-практическая конференция «Безопасность космических полетов» (Санкт-Петербург, 2014 г.);7. Всероссийская научная конференция «Проблемы газовой и волновой динамики и ракетной техники» (Москва, 2014 г.);8.
Международная конференция по механике «Седьмые Поляховские чтения»(Санкт-Петербург, 2015г.);129. X всероссийская научно-практическая конференция «Проблемы обеспечения взрывобезопасности и противодействие терроризму» (СанктПетербург, 2015 г.);10. Общероссийская научно-техническая конференция «Седьмые Уткинскиечтения» (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, рекомендованныхВАК [1–3].В работе [2] Воробьеву А. М. принадлежит общее руководство над экспериментальным исследованием; Макавееву А. Т.
и Кузнецову А. Б. принадлежитразработка экспериментальной и двигательной установок; Абдурашидову Т. О.и Буту А. Б. принадлежит разработка системы измерения; автором разработанаметодика проведения испытаний, методика обработки результатов акустическихизмерений 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, анализрезультатов 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. принадлежитразработка проектов систем гашения шума при старте РКН; автору принадлежитобоснование предложенных проектов.В работе [5] Воробьеву А. М. и Долбенкову В. Г. принадлежит идея исследования и постановка задачи; Макавееву А. Т. принадлежит разработка проектов13экспериментального стенда; автору принадлежит анализ современного состояния проблемы и обоснование предложенных моделей.В работе [8] Кузнецову А. Б.
принадлежит разработка двигательной установки и расчет внутребаллистических характеристик в камере сгорания; авторупринадлежит анализ результатов испытаний и разработка математической модели генерации дискретного тона блочной сверхзвуковой струей с догораниемтоплива.Реализация и внедрение результатов исследования. Основные результатыи выводы, представленные в диссертации, использованы в производственной деятельности АО «КБСМ» при проектировании наземного оборудования ракетнокосмических систем (см. Приложение А).Объем и структура работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав,заключения и приложения. Полный объем диссертации составляет 123 страницыс 45 рисунками и 4 таблицами. Список литературы содержит 113 наименований.В главе 1 рассмотрены структуры одиночных и блочных сверхзвуковыхструй, даны общие представления об акустическом излучении струйных теченийи проведены описания источников шума в сверхзвуковой струе. Также анализируются способы снижения шума реактивных струй и, в частности, снижениешума с помощью инжекции воды в слой смешения.В главе 2 проводится описание экспериментальной установки, модельногодвигателя, систем измерений и видеорегистрации, методики проведения испытаний, а также методики анализа акустических сигналов на основе вейвлетногопреобразования и методики численного моделирования.В главе 3 представлены результаты испытаний по исследованию влиянияинжекции воды в слой смешения блочной сверхзвуковой струи на акустическийшум, излучающийся в направлении вверх по течению.
Проводится анализ общих уровней звукового давления, спектральный анализ акустического поля исравнение результатов испытаний.14В главе 4 описывается модель генерации дискретного тона блочной сверхзвуковой струей, вызванное догоранием топлива.Благодарности. Автор выражает глубокую признательность доктору технических наук, профессору, заслуженному деятелю науки РФ Ускову В.
Н. , который был научным руководителем в начале работы над диссертацией, и докторуфизико-математических наук, профессору Матвееву С. К., с которым эта работа была продолжена. Автор благодарен коллективу расчетно-исследовательскогоотделения АО «КБСМ», и лично заместителю генерального конструктора по науке, доктору технических наук, профессору, заслуженному машиностроителю РФВоробьеву А. М., за организацию экспериментальных исследований.15Глава 1Шум сверхзвуковых струй испособы его снижения1.1Структура сверхзвуковых турбулентных струйСверхзвуковая турбулентная струя представляет сложный газодинамическийобъект, включающий в себя ударно-волновую конфигурацию, различные видынеустойчивости и физико-химические процессы.Основным параметром, определяющим характер истечения струи, являетсянерасчетность = /∞ , где — давление в выходном сечении сопла, а ∞ —давление в окружающем пространстве.
Разделяют следующие режимы истечения: расчетный, когда = ∞ ( = 1), который также называют изобарическим,и нерасчетный (неизобарический), когда ̸= ∞ ( ̸= 1). Нерасчетные режимыистечения в свою очередь делят на режим недорасширения, когда давление насрезе сопла больше давления окружающей среды ( > 1), и перерасширения,когда давление на срезе сопла меньше давления окружающей среды ( < 1).Поскольку статические давление на границе струи должно равняться давлению окружающей среды, то процесс истечения на нерасчетных режимах сопровождается газодинамическими явлениями разного рода. Так на режиме недо-16расширения на кромке сопла образуются волны разряжения (рисунок 1.1a), а нарежиме перерасширения скачки уплотнения (рисунок 1.1б).
На рисунке 1.2 представлены шлирен-фотографии осесимметричных струй на различных режимахистечения [10]. Первым эти явления наблюдал Людвиг Прандтль [11].а) Недорасширенная струя < ∞б) Перерасширенная струя > ∞Рисунок 1.1: Схема течения в нерасчетной сверхзвуковой струеИз приведенных схем видно, ударно-волновая структура имеет периодичныйхарактер. Каждый такой «период» в газодинамике принято называть «бочкой».Выравнивание статических давлений главным образом происходят в первой боч-17ке, поэтому интенсивность ударно-волновых процессов здесь максимальна и ужев следующей «бочке» она заметно снижается.Рисунок 1.2: Режимы истечения осесимметричной сверхзвуковой струи [10]Также важным параметром является степень неизотермичности = /∞ ,где — температура в выходном сечении сопла, а ∞ — температура в окружающем пространстве.
Если = 1, то струю называют изотермичной, а если ̸= 1, то неизотермичной.При истечении струи из сопла между струей и окружающей средой образуется поверхность, на которой терпят разрыв скорость, температура, плотность иконцентрация, тогда как распределение статического давления остается постоянным. Эта поверхность, которую так же называют поверхностью тангенциальногоразрыва, вследствие ее неустойчивости, постепенно размывается. Это приводитк появлению в зоне тангенциального разрыва турбулентных пульсаций, которыевызывают перенос импульса, тепла и концентрации между соседними слоямигаза, что приводит к формированию области конечной толщины с непрерывнымраспределением этих параметров.18Турбулентный слой смешения постепенно расширяется и после того, как эторасширение достигло оси струи (область струи, ограниченная слоем смешения,иногда называют потенциальным ядром струи), турбулентное перемешиваниепроисходит по всему объему струи, параметры которой по мере удаления отсопла приближаются к параметрам окружающей среды.
На больших расстояниях от выходного сечения сопла его конфигурация и размеры перестают влиятьна распределение газодинамических параметров в струе. Таким образом, на этомучастке течение можно считать автомодельным.Рисунок 1.3: Характерные участки сверхзвуковой турбулентной струиВ конечном итоге сверхзвуковую струю можно разделить на 4 участка (рисунок 1.3). Первый участок от среза сопла (сечение «а — а») до конца первой «бочки» (сечение «А — А»). Здесь определяющим является ударно-волноваяконфигурация, которая уравнивает статические давления в струе и в окружающем пространстве.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
