Диссертация (1150757), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Умение управлять испытанием масштабной модели сзаменой газа (воздух, азот, гелий) приводит к значительной экономии (уменьшение стоимости испытуемого оборудования, времени испытания). Например,струи гелево-воздушной смеси для моделирования высокотемпературных эффектов изучались в работе [31].
Эти испытания с заменой газа требуют некоторого компромисса действительной физики горячей струи. В связи с чем одной изважных и самых сложных задач аэроакустики является перенос экспериментальных данных, полученных на маломасштабных моделях, на натурные условия.Таким образом, особую важность представляет из себя создание масштабныхзаконов. Подобные исследование проведены в работах [32–34].Из анализа динамического подобия следует, что звуковая мощность в дальнем поле может быть выражена в безразмерной форме как [32].:[︁(︁ )︁ (︁ )︁ (︁ )︁(︁ )︁]︁2= ,,,, , ,,22( )∞∞∞(1.12)где число Маха струи , числа Струхаля и Рейнольдса определяютсяформулами:,(1.13) ,(1.14) = =26 = (1.15)и — расстояние до выходного сечения сопла.
В дальнейшем было предложено множество вариантов масштабных законов, но в настоящий момент единойтеории пересчета нет.Большинство исследований акустики сверхзвуковых струй проведены экспериментально. Горячие струи, ввиду сложности экспериментов, изучены слабои находятся в некотором противоречии. Согласно обзору [35], при постояннойскорости истечения струи уровень звукового давления возрастает с увеличением температуры струи при < 0.7 и падает с увеличением температуры при > 0.7.
Согласно данным [36], для дозвуковых струй 0 < < 0.9 прификсированной скорости истечения струи увеличение температуры приводит куменьшению уровня мощности звука. В работе [30] показано, что увеличениетемпературы струи увеличивает уровень звукового давления струи. Такой жерезультат был получен в недавней работе [37].1.3Источники шума сверхзвуковой струиСверхзвуковая турбулентная струя является очень сложным источником акустического излучения. В настоящий момент не установлены полностью все механизмы излучения шума.
Общепринятым считаются три компоненты шума:шум смешения, широкополосный ударно-волновой шум и дискретная составляющая ударного шума. Последние два источника характерны для неизобарических сверхзвуковых струй. На рисунке 1.6 представлен типичный спектр длясверхзвуковых струй на расчетном и нерасчетном режимах истечения [38].Как отмечалось ранее, исследования акустического излучения сверхзвуковых струй проводились в большинстве случаев экспериментально и основнымобъектом исследования являлась одиночная струя. Исследования блочных струй27Рисунок 1.6: Типичный акустический спектра для расчетной иперерасширенной струи [38]крайне ограничены.
Практически неосвещенными являются акустические эффекты, связанные с физико-химическими процессами и в частности с догоранием топлива. В частности, в работе [39] упоминается процесс излучения дискретного тона в четырехсопловом двигателе во время догорания топлива в атмосфере.1.3.1Шум смешенияШум смешения образуется в результате турбулентного перемешивания струис внешней средой. Обычно разделяют этот шум на две компоненты: акустическое излучение от мелкомасштабной турбулентности и от крупномасштабных турбулентных структур.
Крупномасштабные структуры являются доминирующими источниками, в то время как мелкомасштабные вызывают фоновыйшум. Турбулентный шум низкочастотный и доминирует в диапазоне 0.1 < <0.25 [40].28Для лучшего понимания шума смешения рассмотрим уравнение Лайтхилла (1.1) c тензором = . Решение этого уравнения можно выразить черезфункцию Грина для свободного пространства [27]:⎤⎡∫︁1 2 ⎣ ⎦ .=42∞ (1.16)Если разложить компоненту скорости на усредненную и пульсационную составляющие = + ′ и подставить в выражение (1.16), то получим=142∞∫︁ [︃ 2 ′ ′ +2 ′ ]︃1.(1.17)Первое слагаемое в подынтегральном выражении соответствует взаимодействиютурбулентных пульсаций между собой и называется «собственным» шумом, авторое выражение отвечает за взаимодействие турбулентных пульсаций с градиентом скорости и называется «сдвиговым» шумом.Рисунок 1.7: Схема излучения волн МахаЕсли скорость переноса вихрей (конвективная скорость) превышает скоростьзвука во внешней среде, то происходит излучение волн Маха, которые впервыенаблюдал Лайтхилл [18].
Позже теория была значительно дополнена Филлипсом [28] и Фокс-Вильямсом [24]. На рисунке 1.7 изображен механизм генерации29волн Маха. Крупные когерентные турбулентные структуры моделируют синусоидальное волны неустойчивости с длиной волны, равной расстоянию междудвумя последовательными вихрями. Они движутся с конвективной скоростью .В окружающем пространстве скорость звука постоянна и равна ∞ . Таким образом, когда > ∞ , излучение волн Маха будет происходить под углом(︂)︂∞ = arccos.(1.18)В работе [41] обнаружено, что пик числа Струхаля , с которой излучаютсяволны Маха, соответствуют наиболее сильной волне неустойчивости.
Исследование влияние неизотермичности потока на излучение волн Маха проведено вработе [42].1.3.2Широкополосный ударно-волновой шумШирокополосный ударно-волновой шум вызван взаимодействием распространяющихся вниз по течению турбулентных структур и квазипериодической(бочкообразной) структуры ударных волн в струе (рисунок 1.8). Харпер-Борн иФишер [43] впервые описали этот источник шума и определили соотношениедля интенсивность акустического излучения : ∼ (2 − 1)2 ,(1.19)где - число Маха на расчетном режиме истечения. Позднее эта модель былауточнена в [44].
Для умеренных нерасчетностей направленность этого излучения была определена в [45]. Они установили, что максимум интенсивности широкополосного ударно-волнового шума распространяется в направлении вверхпо потоку, а для больших нерасчетностей характерна всесторонняя направленность. Интенсивность широкополосного ударно-волнового шума не зависит от30температуры. Исследование законов масштабирования для этого источника шума проведено в работе [46].Рисунок 1.8: Схема взаимодействия скачков уплотнения и слоя смешения1.3.3Дискретный тонПервым, кто рассмотрел дискретный тон в акустическом излучении сверхзвуковой струи, был Пауэлл [47, 48]. В своей пионерской работе он заметил доминирующий пик в спектре, который он назвал screech. Он определил, что этотпик превосходит в спектре шум турбулентного смешения и широкополосныйударно-волновой шум.
В качестве объяснения этого явления он корректно предположил, что причиной является обратная акустическая связь. На рисунке 1.8представлена схема генераци дискретного тона в сверхзвуковой струе. Распространяющаяся вверх по течению акустическая волна взаимодействует с кромкойсопла и инициирует волны неустойчивости в тонком слое смешения у выходногосечения. Эти волны неустойчивости переносятся вниз по течению и быстро рас-31тут в амплитуде. Далее они взаимодействуют с периодической ударно-волновойструктурой, в результате чего генерируется акустическая волна. Что касаетсяобразовавшей волны, то она исходит, главным образом, в направлении вверх потечению и передается вне струи по направлению к кромке сопла.
После того,как она достигает кромки сопла, она создает новую волну неустойчивости ипетля замыкается. Таким образом, излучение дискретного тона зависит от длины «бочки» , скорости звука в окружающем пространстве ∞ и конвективнойскорости крупной когерентной структуры . При таком предположении частотадискретного тона может быть вычислена следующим образом:1 =+,∞(1.20)а число Струхаля = =, (1 + ) (1.21)Также Пауэлл определил, что дискретный тон не испытывает доплеровского смещения, т.
е. частота не зависит от угла наблюдения.Дискретному тону посвящено огромное количество работ как зарубежнымиисследователями [38, 49–64], так и отечественными [65–70]. Развитие исследований по изучению дискретного тона от Пауэлла до наших времен проведенов [71]. Альтернативная модель была предложена в работе [72], которая рассматривала струю как полость с упругими стенками, а дискретный тон, ее колебания.В экспериментальных исследованиях уровень звукового давления Σ дискретного тона мог достигать 160 дБ. При нерасчетном истечении дискретная составляющая появляется не всегда. На возникновение влияет множество факторов:внешний поток, температура струи, конденсированная фаза в струе и т.д.
[73].321.4Способы снижения шума реактивных струйШум, создаваемый сверхзвуковыми струями в различных техническихустройствах, достигает очень высоких уровней, что может представлять серьезную опасность для людей и элементов конструкций. В связи с чем необходима разработка эффективных методов борьбы с избыточным шумом. Большинство методов снижения аэродинамического шума были развиты для авиационных двигателей в связи с природоохранным законодательством, которое регламентируется нормативными требованиями Приложения 16 Стандарта международной организации гражданской авиации (ИКАО). Каждые несколько лет требования к уровню акустического поля авиационных двигателей ожесточаются,поэтому есть необходимость решения проблем аэроакустики именно в применении к авиационным задачам.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
