Нестационарные процессы в аэродинамике. Пульсации и давление на срезе кольцевого сопла (1163170), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Эти возмущения свойственны также акустическим процессам. В случае сильных возмущений, например, ударные волны в газах, имеет место малый перенос вещества, вследствие нелинейных колебаний частиц среды. Акустическими волнами называются распространяющиеся в упругой среде слабые возмущения - механические колебания с малой амплитудой. При малых амплитудах (линейное приближение) распространение волн не связано с переносом вещества. Ак стические волны - это продольные волны, вызывающие объемную деформацию среды, в которой частицы совершают колебания в направлении распространения волн (поперечные волны распространяются только в твердых телах).
Терминология, используемая при изучении пульсаций давления аналогична в акустике. Ниже приведены некоторые определения, применяемые как в гидро- динамических, так и в акустических задачах. Зв овое авление - дополнительное переменное давление, возникающее при прохождении "звуковой" волны (н1м, в системе СИ и МГК или дитем, в системе СГС). Для гармонических колебаний - эффективное звуковое давление обозначают Р', а амплитудное звуковое давление избыточное над равновесным давлением обозначают Р, Интенсивность зв а (сила звука) - средний поток звуковой энергии, проходящей через единицу площади на единицу объема упругой среды Е=1/а=Р~,,/ Ро (дж/м~, эрг/смз). Зв ковая мо ность - количество звуковой энергии, проходящей через данную поверхность в единицу времени %=РБ Вт, эрг/сек, где э - площадь поверхности.
Интенсивность пульсаций, встречающихся на практике, меняется в очень широких пределах, поэтому применяется логарифмическая шкала и уровни, измеряемых величин используются в децибелах (дБ). У овеньзв кового авления1.=201я Р/Ро -характеристиказвуковогодавления по отношению к условному порогу звукового давления Ро, где(ЦдБ, Ро = 2-10' Па.
(Рис.З) Физическая спектральная плотность пульсаций давления (средний квадрат пульсаций давления в полосе шириной 1 Гц) обозначается Средний квадрат пульсаций давления определяется о и соответственно среднеквадратичное значение пульсаций записывается Ж)" При построении спектрограмм в газовой динамике по оси абсцисс обычно откладывается безразмерная частота в виде числа Струхаля Я~=Я/ч, где г( - характерный размер (диаметр среза сопла). При проведении спектрального анализа на приборах с полосой анализа ф' равной 1Гц, уровни приводятся к спектральной плотности с помощью следующего выражения: 2.3 Корреляционные функции.
Автокорреляционная функция случайного процесса характеризует общую зависимость значений процесса в некоторый данный момент времени от значений в другой момент. Оценку величины автокорреляционной функции можно получить, вычисляя произведение координат х($) в момент времени 1 и (г -~ г) . Усредняя величину произведения в пределах времени наблюдения Т, величина Л, (г) всегда действительная четная функция с максимумом в точке г = О; она может быть как положительной, так и отрицательной. Т течениями в районе возвратно циркуляционной зоны или на поверхности преграды при растекании струи. В данном случае имеет место нестационарные величины звукового давления, имеющие знакопеременные значения, которые характеризуются амплитудой и частотой относительно постоянного давления в точке.
3.1 Методика проведения измерений. В данном газодинамическом эксперименте информация поступает в виде электрического сигнала, преобразованного из неэлектрического сигнала (давление, скорость и т.д.). При помощи различного вида датчиков электрические сигналы соответствующим образом обрабатывается с помощью электронных приборов. Ниже дано краткое описание используемой аппаратуры, функциональной связи в виде расширенной и обобщенной блок-схеме (Рис.5), а также некоторой необходимой терминологии. Измерительный комплекс состоит из классических элементов и электронных приборов, где аналоговый электрический сигнал от датчиков с помощью аналогово-цифрового преобразователя (АЦП) преобразуется в цифровой вид сигнала.
С появлением датчиков разработанных по новым технологиям, современных электронных приборов и компьютерных технологий с программным обеспечением измерительный комплекс постоянно совершенствуется. Объект исследования в данной методической работе является кольцевое сопло, представляющее собой обечайку с центральным телом рис. б из которого кольцевая воздушная "затопленная" струя истекает на плоский экран, ("затопленная" струя — это когда в окружающее пространство вдувается однородный газы, в данном случае воздух вдувается в окружающее воздушное пространство). Скорость истечения соответствует числу Маха М ~ 1, диаметр сопла с1= 30мм (выходное отверстие). Расстояние от среза сопла до экрана и режимы истечения выбираются экспериментатором.
Для получения зависимости Р,. = 1(РО/ Р„„), дающей представление о перестройках структуры струи в зоне среза сопла измеряется давление в форкамере сопла Р„и на торце сопла Р,р с помощью пары потенциометрических датчика. Электрические сигналы от датчиков подведены ко входам Х и У через АЦП (аналого цифровой преобразователь) фиксируются и обрабатываются на ПК (персональный компьютер). Непосредственно в центральной точке оси сопла проводится измерение давления на срезе Р, (Рис.4,б). В плоскости среза сопла (выходного отверстия) (1=0) на (центральном теле) установлен индуктивный датчик (МПДИ), измеряющий пульсации давления, вернее, преобразующий пульсации давления в локальной точке на срезе сопла при взаимодействии воздушной струи с экраном в эквивалентные пульсации электрического сигнала.
Индуктивный датчик подключен к входу тензоусилителя УТС-12-35, с выхода которого усиленный сигнал, поступает на шумомер типа ИШВ-1, измеряющий уровень шума. Выходной сигнал прибора шумомера проградуирован в дБ. Запись показаний этого прибора при изменении условий в зоне взаимодействия струи с преградой дает характеристику изменения 1, -суммарного уровня шума пульсаций в зависимости от Ро -давления в форкамере сопла.
Зависимость Лг= ~Ро/ Р„„), дает возможность оценить физическую связь аэродинамики истекающей струи с ее акустическими свойствами в локальной точке с последующими выводами о не стационарных процессах в струе и их значении для научных и прикладных задач. Отдельной задачей можно рассматривать акустический фон струи, как источник шума и воздействие звукового давления на окружающее пространство. Кроме суммарного уровня шума Ег имеют место пульсационные составляющие спектральные характеристики и дискретный тон. Для исследования этих явлений используется устройство "долговременной памяти" — цифровой магнитофон М-168 параллельно подключен к тем же выходным клеммам усилителя УТС-12-35, что и шумомер и осуществляет регистрацию пульсационного сигнала на "кольцевую ленту".
Длительность реализации - 5 сек. Диапазон регистрируемых частот 100-20000 Гц. На выходе магнитофона устанавливается аппаратура для проведения спектрального анализа сигнала, поступающего на измерительную систему. В данном случае применяется анализатор гармоник низких частот типа С5-3 или С4-48 или СК-4-20, осуществляющий разложение сигнала сложной формы на гармонические составляющие, используя гетеродинное преобразование и последовательный опрос по частотам в диапазоне 20 Гц- 20 кГц. Ширина полосы опроса Л~= 7 Гц.
Регистрация спектра - автоматическая при использовании самописца типа Н- 100. Целью спектрального анализа акустических процессов, кроме непосредственной информации (например, определения частот основных гармоник, выявление участков спектра с наибольшей интенсивностью), является сравнение между собой спектрального состава различных процессов. Сравнение материалов анализа может производиться только при соответствующей унификации способов изображения результатов анализа. Полученные с Н-110 спектрограммы представляют собой графики зависимости уровня гармонических составляющих от частоты, причем развертка по частоте осуществляется в линейном масштабе, а по уровню в логарифмическом.
Если в исследуемом процессе присутствуют дискретные составляющие, то они наблюдаются на спектре пульсаций в виде пико образных линий, выступающих над записью спектра. Детальное изучение этих составляющих, пред- ставляющих собой уровни пульсаций, в полосе опроса Л~'= 7 Гц можно опреде- лить частоту ~ и положение дискретной составляющей. И, если цель исследова- ния заключается в выявлении отдельных дискретных составляющих, то лучше всего применять узкополосный анализ с постоянной шириной полосы пропуска- ния, Во время анализа частотные составляющие флуктуируют во времени как по частоте, так и по амплитуде. При излишне узкополосном анализе результаты опыта могут быть искажены.
Поэтому в звуковом диапазоне частот применяется анализ с полосой пропускания Лг = 5 - 20 Гц. 3.2 Тарировка измерительной системы по уровню и спектру. Для тарировки потенциометрических сильфонных датчиков давления типа МДД при измерении давления Ро в форкамере сопла и давления Р, на срезе сопла используются образцовые манометры. Для проведения тарировок по уровню (Рис.7) и спектру (Рис.8) применяется комплект эталонного шумомера ИШВ-1 с конденсаторным микрофоном. Источник акустических колебаний, с помощью которых производится тарировка, по уровню состоит из приспособленного для этой цели динамического громкоговорителя (ГД), усилителя мощности ТУ-100 и звукового генератора ГЗ-ЗЗ.
Измерительная система от датчика до регистраторов проходит предварительную тарировку по уровню и спектру, Тарировка по уровню осуществляется от источника акустических возмущений (динамический громкоговоритель - усилитель ТУ-100 - генератор низких частот ГЗ-ЗЗ). В измерительную зону помещаются рядом тарируемый датчик и эталонный микрофон измерителя шума и вибраций ИШВ-1. При этом показания ИШВ- 1 параллельно определяют уровень сигнала на Н-110 и ВК7-10А. Полученные в эксперименте уровни отсчитываются относительно тарировочного уровня; (1,„-1.т)+1.э=1., Где: 1.э — уровень, измереннъзй эталонным шумомером -1 (рис.7) через микрофон в зоне воздействия тарирующего сигнала, 1.г — показания шумомера, измеряющего Ь в эксперименте, 1т — показания шумомера-2 при проведении тарировки Спектральная тарировка производится сравнением частотной характеристики системы "датчик-запись-анализ" и эталонной характеристикой "микрофон- запись-анализ".
В качестве источника шума, имеющего широкий частотный спектр, используется шум истекающей воздушной струи имеющей широкий частотный спектр (рис.8). Оценка среднеквадратичной ошибки (систематические ошибки полагались распределенными по нормальному закону) при определении среднеквадратичного значения уровней спектра анализируемого процесса следующая: погрешность датчика давления из-за нелинейности ~10~о,' тензостанции УТС-12- 35 - +3.6;4; магнитофона М-168 - +1.5;о; анализатора С5-3 - ~10; о; самописца Н- 110 - + 11'~о, Относительная среднеквадратичная ошибка измерений амплитуд всего регистрационно-измерительного тракта при надежности 40'Ъ равна б" = + 15.4оо.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
