CC BY
144
Том ХЬЇЇЇ
УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ ЦАГИ 2012
№ 4
УДК 533.6.071.082.5
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВИХРЕГЕНЕРАТОРОВ И ПОДВОДА ЖИДКОСТИ НА ШУМ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ СТРУЙ
В. И. ЗАПРЯГАЕВ, Н. П. КИСЕЛЕВ, Д. А. ГУБАНОВ
Изложены методика и результаты экспериментального исследования влияния установки насадков с шевронами, поперечного вдува микроструй и впрыска воды на суммарный уровень и спектр акустического излучения дозвуковой и сверхзвуковой струи.
Ключевые слова: акустический шум струи, вихрегенераторы, вдув микроструй, пульсации звукового давления.
ВВЕДЕНИЕ
Высокоскоростные струи являются источниками интенсивного шума. Поиск способа по его минимизации является актуальной задачей.
Уровень пульсаций звукового давления определяется геометрическими и газодинамическими параметрами струи. Акустическое излучение высокоскоростной струи по своей природе связано с наличием в сдвиговых слоях струи многочисленных турбулентных вихрей различного масштаба, взаимодействующих с ударно-волновой структурой струи и генерирующих акустическое излучение в окружающее пространство.
В настоящее время ведутся исследования, направленные на поиск оптимальных способов снижения интенсивности акустического излучения, генерируемого высокоскоростными газовыми струями. Известные способы управления шумом включают в себя экранирование струи газовым экраном [1], секторные сопла, многотрубчатые насадки, использование периодических электрических разрядов, впрыск жидкости в поток основной струи, различные активные методы [2] и методы, использующие генерацию продольных вихрей при помощи дольчатых смесителей, эжекторных сопл, табов, шевронов, вдува микроструй.
ЗАПРЯГАЕВ Валерий Иванович
доктор технических наук, заведующий лабораторией ИТПМ СО РАН
КИСЕЛЕВ Николай Петрович
кандидат физикоматематических наук, научный сотрудник ИТПМ СО РАН
ГУБАНОВ Дмитрий Андреевич
лаборант ИТПМ СО РАН
В работе [3] уменьшение уровня турбулентного шума струи двухконтурного сопла при использовании различных конфигураций шевронов достигало 2.82 дБ при уменьшении тяги на 0.06%. В статье [4] изучалось влияние продольных вихрей, генерируемых восемью микроструями с диаметром выходного сечения й =0.8 мм (угол наклона к оси струи 60°, оптимальный режим Крг) = 7, где Крг) — отношение давлений воздуха на входе и выходе микросопла, отношение расходов микроструй и основной струи 0.4%) и шевронами на шум струи с числом Маха на срезе сопла Ма = 0.9 (коническое сопло с выходным диаметром Оа = 69.85 мм). Установлено, что шевроны обеспечивают более сильное снижение амплитуды акустического шума в низкочастотной области, но имеют значительно большее усиление в высокочастотной, в отличие от микроструй. Шевроны и микроструи приводят к изменению диаграммы направленности акустического излучения. Шевроны приводят к снижению суммарного уровня шума на величину до 2 дБ (при углах наклона к оси струи менее 60°), а при вдуве микроструй регистрируется снижение шума на 1 дБ (для всех углов излучения звука). В [5] при использовании вдува воздушных и водяных микроструй (3, 6 или 12 микроструй) в основной поток получено снижение турбулентного шума на 10 дБ, при отношении выходных диаметров микросопл к диаметру основного сопла от 0.016 до 0.062. Применение дольчатых смесителей в [6] позволило уменьшить шум струи на 10 дБ. Существует опыт применения микроструй для подавления обратной акустической связи в струе, набегающей на плоскую преграду [7] (имитация вертикального взлета и посадки), в результате чего было достигнуто снижение уровня шума струи. В работах [8, 9] исследовалась структура сверхзвуковой струи при инжекции единичной малоразмерной струи с различными геометрическими и газодинамическими параметрами (варьировался массовый расход микроструи и ее местоположение). Авторами статей [10, 11] исследовалась структура сверхзвуковой струи при наличии шевронов на срезе сопла с использованием методов визуализации потока, зондовых измерений (трубка Пито) и бесконтактного метода измерения скорости Р1У, а также численного трехмерного моделирования течения. Установлено, что при взаимодействии потока струи с вих-регенератором происходит существенное изменение структуры потока начального участка струи с образованием крупномасштабных грибовидных структур на границе.
Необходимо отметить, что при использовании микроструй ожидается сохранение величины тяги сопла вследствие того, что микроструи непосредственно не препятствуют истечению газа из основного сопла, в отличие от табов, шевронов и дольчатых смесителей, что делает их использование более выгодным.
В данной работе рассмотрено влияние установки насадков с шевронами, поперечного вдува микроструй и впрыска воды на суммарный уровень и спектр акустического излучения дозвуковой и сверхзвуковой струй. В соответствии с теорией Лайтхилла полная акустическая мощность турбулентной изотермической струи Жа (интеграл от интенсивности акустического излучения по
сфере) пропорциональна потоку механической энергии и М5 [9]:
Жа = Щ М5,
где = ри3Г; М = и/а0 ; и — скорость струи; р — плотность газа струи; а0 — скорость звука
в окружающем пространстве; Г — площадь выходного сечения сопла; Р — коэффициент пропорциональности. Данная зависимость акустической мощности справедлива до скоростей истечения, соответствующих значениям числа М на срезе сопла 1.5—2 [12, 13].
Наличие жидкости в воздушной струе приводит к общему снижению скорости потока, и следовательно, к снижению полной мощности акустического излучения изотермической турбулентной струи. Основной эффект от применения вихрегенераторов связан с образованием продольных вихрей, которые влияют на структуру течения в слое смешения струи. Показано, что парные продольные вихри оказывают определяющее значение на процесс вовлечения жидкости на границе и структуру течения и указывают на определяющую роль продольных вихрей на развитие и статистические свойства слоя смешения [14].
Эксперименты проведены на вертикальной струйной установке (ВСУ) ИТПМ СО РАН (рис. 1, а). Для исследования влияния впрыска воды на шум струи использовалось коническое сопло с выходным диаметром Оа = 20 мм и геометрическим числом Ма = 1 (рис. 1, б). Применялся центральный впрыск жидкости через тонкую трубку, концентрически расположенную с соплом на расстоянии около 8 калибров в его дозвуковой части и установленную на двух пилонах, через один из которых осуществлялся подвод воды. Устройство подвода жидкости (рис. 2, а) представляло систему, состоящую из баллона, заполненного воздухом высокого давления, последовательно соединенного через электромагнитный клапан с емкостью с водой, которая в свою очередь подключена к трубке, осуществляющей впрыск жидкости. При открытии клапана происходит выброс жидкости в сопло за счет контролируемого перепада давления.
В экспериментах по исследованию влияния вихрегенераторов на шум струи основная струя истекала из профилированного сопла Витошинского с числом М а = 1 на выходе и диаметром выходного сечения Оа = 30 мм (рис. 1, в). Качество внутренней поверхности сопла характеризуется значением шероховатости А, определяемым как средняя высота неровностей на профиле, и составляет А» 0.25 мкм.
Рис. 1:
а — вертикальная струйная установка ИТПМ СО РАН; б — схема сопла с устройством впрыска воды; в — профилированное сопло Витошинского
Рис. 2:
а — схема сопла с устройством впрыска воды; б — схема расположения измерительных микрофонов
Рис. 3. Сопло с установленными вихрегенераторами: а — трехшевронный насадок; б — шестишевронный насадок; в — микросопловая установка
В качестве вихрегенераторов использовались насадки с тремя и шестью шевронами (рис. 3, а, б), а также микросопловая установка (рис. 3, в). Шевроны расположены с одинаковым шагом по азимуту (б0 и 120°) и имеют геометрическую форму в виде трапеции с высотой 10 мм, основаниями — 7 и 4.5 мм. Образующая внутренней поверхности шеврона является продолжением внутренней поверхности сопла на выходе. Микросопловая установка состояла из шести равноудаленных друг от друга конвергентных микросопл с диаметром на выходе da = 0.7 мм, через которые по нормали осуществлялся вдув воздуха в основную струю. Оси симметрии микросопл располагались на расстоянии 2.5 мм вниз по течению и на 3 мм по радиусу от среза выходного сечения основного сопла. Все микросопла подключены к общему цилиндрическому каналу с одним входным штуцером для подачи воздуха и одним контрольным — для измерения давления в форкамере микросопловой установки.
Система автоматизированного сбора данных состояла из персонального компьютера, высокоточного мультиметра HP 3490A фирмы Agilent с мультиплексором. Использовались датчики давления фирмы SIEMENS. Контролировалось давление в помещении, баллоне с водой, форка-мере струйного модуля и микросопловой установки. Выполнялась регистрация температуры в помещении и форкамере установки. Средняя температура газа в форкамере струйной установке T) = 295 K. Интервал измерения газодинамических параметров составлял 0.4 с.
Измерение интенсивности звука выполнено четвертьдюймовым конденсаторным микрофоном МК-301 фирмы Veb Robotron-Messelectronik с открытой мембраной (без защитного колпачка). Частотный диапазон микрофона с усилителями составляет 20 Гц — 100 кГц. Микрофон состоит из микрофонного капсюля МК-301, предусилителя MV-201 и используется совместно с микрофонным усилителем 00-011. Сигнал от микрофонного усилителя поступал на многофункциональную аналого-цифровую плату сбора данных E14-440 фирмы L-Card. Частота дискретизации микрофона составляла 200 кГц, что позволяло получать спектры акустических колебаний в диапазоне 0...100 кГц. Калибровка микрофонов осуществлялась по величине среднеквадратичных пульсаций звукового давления с помощью пистонфона 05001 фирмы Veb Robotron-Messelectronik.
Для уменьшения интенсивности отраженного звука от стен и других частей установки все близлежащие поверхности установки покрыты звукопоглощающим ворсистым материалом. Колонны траверсы также изолированы пористыми полиуретановыми чехлами. В ходе предварительных измерений установлены диапазоны азимутальных углов, при которых выполнялись условия свободного акустического поля, что давало возможность проведения акустических измерений на данной установке.
В работе выполнено исследование влияния впрыска жидкости в сверхзвуковую Ma = 1, ^г = 2, режим, близкий к расчетному (рис. 4, в, г), и сверхзвуковую недорасширенную струю Mа = 1, ^г = 5, пр = 2.64 (рис. 4, д, е) с массовым содержанием жидкости 0, 2, 8, 50%, где отношение давлений = р0 /рс (р0, рс — давление в форкамере и помещении установки), пр —
степень нерасчетности истечения струи. Для режимов истечения ^г = 2 и 5 расходы воды составили 3.2, 12.8, 80 и 8, 32, 200 г/с соответственно. Схема впрыска воды в дозвуковую часть сопла представлена на рис. 2, а. Для определения расхода воды через сопло проведена калибровка. Измеряя перепад давления в баллоне и в форкамере (р0 ), можно определить расход жидкости, подаваемый в дозвуковую часть сопла.
На рис. 2, б показана схема расположения измерительных микрофонов. Измерительный микрофон располагался на уровне среза сопла на расстоянии 1.5 м (положение М1 на рис. 2, б) для измерения уровня пульсаций звукового давления в дальнем акустическом поле.
Процедура эксперимента заключалась в следующем. Перед проведением эксперимента давление воздуха в баллоне поднималось до заданной величины. В другой баллон заливалось необходимое количество воды. Подавался воздух в форкамеру установки, после выхода на режим открывался электромагнитный клапан. Сжатый воздух поступал в баллон и в течение 1—2 с заполнял баллон. Под действием избыточного давления вода вытеснялась в сопло. Производилась запись шума невозмущенной струи. Затем открывался электромагнитный клапан для подачи воды в струю и производилась запись шума струи с впрыском воды. Из полученной записи по форме осциллограммы выбирался участок с равномерным по времени засевом потока частицами воды и подвергался дальнейшей обработке.
Рис. 4. Мгновенные (а, в, д) и осредненные (б, г, е) изображения шлирен-визуализации
потока струи:
а, б — дозвуковая Ma = 0.9, ^г =1.7; в, г — сверхзвуковая, близкая к расчетному режиму Ma = 1, ^г = 2; д, е — сверхзвуковая недорасширенная Ma = 1, ^г = 5
Для исследования влияния вихрегенераторов на звуковое излучение струи выбрано три режима истечения: Ma = 0.9, Npr=1.7 (дозвуковой режим, рис. 4, а, б), Ma = 1, Npr = 2 (режим близкий к расчетному, см. рис. 4, в, г) и Ma = 1, Npr = 5, np = 2.64 (см. рис. 4, д, е). Для измерения
в дальнем акустическом поле микрофон расположен на расстоянии 1.2 м (положение М2 на рис. 2) от среза сопла под углом б0° к оси симметрии основной струи. Для каждого режима истечения были выполнены измерения шума невозмущенной струи и струи с шевронами.
При вдуве микроструй сначала проводились акустические измерения с Nprj = 1 без вдува микроструй (Nprj = p0 j Ipc, где p0 j — давление в форкамере микроструйной установки), затем
при Nprj =2, 4, б для каждого режима истечения основной струи. Дополнительно для струи Ma = 1, Npr = 5 измерен шум струи при Nprj = 9, Nprj = 1.2, затем при Nprj = 1.5 — режим минимальной интенсивности, при котором происходило подавление дискретной составляющей спектра шума струи (значение Nprj для достижения данного режима подавление акустического шума определялось «на слух»).
Отношение массового расхода воздуха через микроструи к расходу основной струи в зависимости от режима истечения приведено в таблице.
Относительный расход воздуха через микросопловую установку в зависимости
от режима истечения
Ma (Npr) Nprj, %
1.2 1.5 2 4 б 9
0.9 (1.7) — — 0.38 0.77 1.15 —
1 (2) — — 0.33 0.б5 0.98 —
1 (5) 0.08 0.10 0.13 0.2б 0.39 0.59
Обработка данных акустических измерений заключалась в вычислении суммарного уровня, спектра и величины среднеквадратичных пульсаций звукового давления в различных частотных диапазонах, определяемых по форме спектра для каждого из режимов истечения основной струи.
3. РЕЗУЛЬТАТЫ
3.1. ВЛИЯНИЕ ВПРЫСКА ЖИДКОСТИ НА ШУМ СТРУИ
4.1.1. Сверхзвуковая струя М а = 1, ^г = 2
На рис. 5, а представлены спектры акустического шума струи Ма = 1, Крг = 2 (режим истечения, близкий к расчетному) с различными массовыми расходами впрыскиваемой воды. По оси ординат отложены уровни пульсаций давления в дБ, по нижней оси абсцисс отложены частота V (Гц),
струя
Рис. 5. Спектр (а) и суммарный уровень (б) акустического шума струи М а = 1, Ырг = 2 с впрыском воды в различных
частотных диапазонах
по верхней — числа Струхаля Sh, рассчитанные по параметрам течения на срезе сопла (диаметру и скорости). Для выявления степени воздействия впрыска воды на величину среднеквадратичного значения пульсаций звукового давления весь спектральный диапазон разбит на характерные частотные интервалы (границы отмечены вертикальными линиями, отложенными от оси абсцисс). Видно, что снижение акустического шума струи наблюдается для частот выше
2.4 кГц (Sh = 0.154). Это связывается с тем, что впрыск воды не оказывает существенного влияния на развитие крупных турбулентных вихрей. На рис. 5, б показаны изменения величины среднеквадратичных пульсаций звукового давления Ь в различных частотных диапазонах в зависимости от величины массового расхода жидкости через сопло. При малых расходах воды основное воздействие по уменьшению шума лежит в диапазоне частот от 24 до 64 кГц (Sh от 1.5 до 4.1). Снижение высокочастотного шума (64—100 кГц) струи с массовой долей воды 50% достигает
11.4 дБ. Отметим, что подавление суммарного уровня шума (20—100 кГц) составляет 4 дБ.
3.1.2. Сверхзвуковая недорасширенная струя Ма = 1, ^г=5
Влияние впрыска воды на снижение уровня шума в спектре звукового излучения сверхзвуковой недорасширенной струи Mа = 1, ^г = 5 (рис. 6, а) начинается при частотах с 1.6 кГц
(Sh = 0.1). Наблюдается полное подавление дискретного тона для исследованных значений массового расхода воды. Впрыск воды с массовой долей 50% существенно изменяет характер спектра шума струи, особенно в области 6.5—20 кГц (подавление высокоэнергетичного второго и третьего «горбов» в спектре).
О 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 80000 90000100000 НеВОЗМущеШИЯ 0//0]=2% 0/С^=8% 0»»^=60%
струя
Рис. 6. Спектр (а) и суммарный уровень (б) акустического шума струи М а = 1, Ырг =5 с впрыском воды в различных
частотных диапазонах
Наибольшее уменьшение суммарного уровня пульсаций акустического давления достигает величины 11.6 дБ для струи с массовым содержанием воды 50%, а для высоких частот (64— 100 кГц) — 15.2 дБ (рис. 6, б). В отличие от расчетной струи Ма = 1, ^г = 2 в недорасширенной сверхзвуковой струе при впрыске воды интенсивное подавление звука регистрируется при более низких частотах (6.5 кГц и Sh = 0.41) против 23 кГц и Sh= 1.47.
Таким образом, показано, что при использовании впрыска воды в поток основной струи наблюдается снижение амплитуды пульсаций акустического давления, генерируемого струей. Увеличение массовой доли инжектируемой жидкости приводит к дополнительному уменьшению шума струи. Наиболее сильное воздействие регистрируется в высокочастотной составляющей акустического спектра.
3.2. ВЛИЯНИЕ ВИХРЕГЕНЕРАТОРОВ НА ШУМ СТРУИ
Проведено сопоставление результатов воздействия вихреобразующих устройств на акустическое излучение высокоскоростных струй при использовании поперечного вдува микроструй различной интенсивности (Крц = 1.2—9) вблизи среза сопла и шевронов (насадки с тремя и
шестью шевронами) для трех газодинамических режимов истечения струи. Представление и анализ результатов проведен для каждого режима в отдельности.
3.2.1. Дозвуковая струя М а = 0.9, ^г=1.7
З.2.1.1. Влияние вдува микроструй
На рис. 7 представлены спектры шума дозвуковой струи с вдувом микроструй различной интенсивности (рис. 7, а). Видно, что при установке микросоплового насадка регистрируется незначительное увеличение уровня звука, излучаемого струей (см. 2 на рис. 7, а), во всем частотном диапазоне (на величину около 1 дБ). Вдув микроструй приводит к снижению акустического шума в частотном диапазоне до 6.2 кГц (Sh = 0.65), при более высоких частотах уровень шума возрастает. Из рис. 7, б видно, что величина слабого низкочастотного подавления и увеличение уровня звука в области высоких частот пропорциональны интенсивности микроструй. Так, например, при использовании шести микроструй снижение шума в низкочастотной области соответствует 0.6 дБ и сопровождается высокочастотным усилением величиной 11.3 дБ в диапазоне от 65 кГц ^ = 6.8).
а) 1 .05 2.1 3.14 4 19 5.24 6 29 7.34 8 39 9 43 10 48 ф ^ дБ
Рис. 7. Влияние вдува микроструй на спектр (а) акустического излучения дозвуковой струи. Суммарный уровень (б) акустического шума струи Ма = 0.9, Ырг =1.7 в различных частотных диапазонах при использовании вихрегенераторов
Можно отметить, что для дозвуковой струи Ма = 0.9, ^г = 1.7 использование микроструй не дает эффекта снижения уровня суммарного акустического шума.
З.2.1.2. Влияние шевронов
Спектр акустического шума струи, истекающей из трех- и шестишевронного сопла, хорошо совпадает со спектром струи = 1 (установленный микросопловой насадок без вдува микроструй). Применение шестишевронного насадка оказывает несколько большее уменьшение уровня шума, чем при использовании трехшевронного (см. рис. 7, б). Уровень суммарного шума струи, истекающей из шестишевронного сопла, оказывается выше, чем у невозмущенной струи, на 0.45 дБ.
3.2.2. Сверхзвуковая струя Ма = 1, ^г = 2, близкая к расчетному режиму истечения
З.2.2.1. Влияние вдува микроструй
Спектры звукового излучения струи Ма = 1, ^г = 2 при наличии микроструй представлены на рис. 8, а. Спектр акустического шума сверхзвуковой струи Ма = 1, ^г = 2 практически идентичен по форме спектру шума дозвуковой струи М а = 0.9, ^г= 1.7, но отличается более высоким уровнем шума. Наличие микросоплового насадка повышает уровень акустического излучения примерно на 1.5 дБ. Вдув микроструй приводит к незначительному снижению спектральной амплитуды в низкочастотной области спектра для частот менее 7.5 кГц (Sh = 0.72) и до 1.2 дБ для
щошіая
струя
Рис. 8:
а — влияние вдува микроструй на спектр акустического излучения сверхзвуковой струи при режиме, близком к расчетному; б — суммарный уровень акустического шума М а = 1, Мрг = 2 в различных частотных диапазонах при использовании вихрегенераторов
микроструй Крг) = 6. Шум высокочастотной части спектра в диапазоне от 7.5 кГц (8Ь = 0.72) до 30 кГц (8Ь = 2.89) усиливается незначительно по сравнению с Крг) = 1. При более высоких частотах с увеличением расхода воздуха через микроструи наблюдается сильный рост интенсивности звука (рис. 8, б).
З.2.2.2. Влияние шевронов На рис. 9 представлены спектры звукового излучения струи Ма = 1, Крг = 2, истекающей из сопл с шевронами. Видно, что при использовании шести- и трехшевронных насадков уровень спектральной амплитуды акустического шума сверхзвуковой струи возрастает примерно на 1 дБ, а также появляется дискретный тон с частотой около 10.6 кГц (8Ь=1.02), величина которого больше у трехшевронного сопла. В целом, использование шевронов приводит к увеличению суммарного шума на 0.85 дБ (см. рис. 8, б).
Рис. 9. Влияние установки шевронов на спектр шума струи М а = 1, Ырг = 2
3.2.3. Сверхзвуковая недорасширенная струя Ма = 1, ^г=5
3.2.3.1. Влияние вдува микроструй
На рис. 10, а представлены спектры, измеренные для струи, истекающей из сопла без мик-росопловой установки (чистая струя) и струи при наличии микросоплового насадка без расхода
Рис. 10. Влияние микросоплового насадка без вдува микроструй (а) и с микроструями Ырг = 2, 6, 9 (б) на акустическое
излучение струи М а = 1, Ырг = 5
Рис. 11:
і — воздействие инжекции микроструй малой интенсивности на спектр шума сверхзвуковой недорасширенной струи; б — суммарный уровень акустического излучения струи Ma = 1, Npr = 5 в различных частотных диапазонах при использовании вихрегенераторов
воздуха через микросопла (Nprj = 1). Для данного режима истечения регистрируются интенсивная дискретная составляющая на частоте 3 кГц и два обертона 6 и 9 кГц. При наличии насадка видно незначительное смещение дискретной частоты сверхзвуковой недорасширенной струи Ma = 1, Npr = 5 в область низких частот.
При инжекции микроструй Npr = 2, 4, 6, 9 происходит понижение уровня низкочастотного шума до 17 кГц (Sh = 1.61) пропорционально интенсивности и повышение высокочастотного превышает 38 кГц (Sh = 3.6) (см. рис. 10, б).
Подавление дискретного тона наблюдается уже при режиме истечения микроструй с Nprj = 1.5. При меньших значениях Nprj дискретный тон ослабляется, но полностью не исчезает (рис. 11, а). При использовании микроструй для снижения излучения звука сверхзвуковой недорасширенной струей наибольший эффект достигается при Npr = 9—3 дБ.
3.2.3.2. Влияние шевронов Наличие шевронов на срезе сопла при истечении сверхзвуковой недорасширенной струи Ma = 1, Npr = 5 (рис. 12) приводит к существенному изменению акустического шума в низкочастотной области. Шевроны позволяют существенно снизить уровень дискретного тона в спектре шума струи. Зарегистрировано, что для струи, истекающей из сопла с шестью шевронами, происходит неполное подавление дискретного тона, в отличие от использования трех шевронов.
Рис. 12. Спектр звука, генерируемый сверхзвуковой недорасширенной струей, истекающей из шевронного сопла:
а — V = 0 —100 кГц; б — V = 0—20 кГц
Наличие шевронов приводит к увеличению спектральной амплитуды шума в диапазоне частот 12 + 27 кГц, (см. рис. 12). Высокочастотное усиление шума струй при использовании шевронов и микроструй Nprj = 9 сопоставимо. Снижение суммарного уровня пульсаций звукового давления составляет 1.9 дБ для трехшевронного насадка и 0.5 дБ для шестишевронного насадков (рис. 12, б). Наличие интенсивных микроструй приводит к более существенному снижению суммарного уровня шума, чем при использовании шевронов (см. рис. 12, б).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
По результатам проведенных экспериментов установлено, что впрыск воды приводит к существенному изменению спектра акустического излучения высокоскоростных струй. Регистрируется значительное снижение амплитуды высокочастотного шума, что связано с уменьшением интенсивности мелкомасштабных турбулентных вихрей. Происходит подавление дискретного тона шума струи для всех исследованных режимов впрыска воды. Установлено, что эффективность воздействия впрыска жидкости на акустическое излучение возрастает при увеличении расхода воды в струе.
Выявлено, что вдув воздушных микроструй в дозвуковую и сверхзвуковую струи приводит к снижению шума в низкочастотной и усилению в высокочастотной области спектра. Для струй M a = 0.9, Npr= 1.7 и M a = 1, Npr = 2 незначительное снижение амплитуды в узкой низкочастотной области сопровождается интенсивным высокочастотным усилением, что в конечном итоге приводит к возрастанию суммарного уровня шума. Для сверхзвуковой недорасширенной струи M a = 1, Npr = 5 наблюдается существенное уменьшение уровня шума в низкочастотной области спектра при наличии небольшого увеличения на высоких частотах. Установлено, что вдув микроструй полностью подавляет дискретный тон при режимах Nprj, превышающих 1.5; при меньших расходах воздуха через микросопла дискретный тон только ослабляется.
Использование трех- и шестишевронных насадков для струй M a = 0.9, Npr= 1.7 и Ma = 1, Npr = 2 приводит к незначительному возрастанию суммарного уровня шума на величину 0.45 и 0.85 дБ соответственно. Для сверхзвуковой недорасширенной струи применение шевронов существенно изменяет форму спектра акустического шума. Наблюдается снижение в области низких частот, появление характерного подъема в спектре шума при Sh « 1.5.
ЛИТЕРАТУРА
1. Мунин А. Г., Самохин В. Ф., Шипов Р. А. и др. Авиационная акустика, ч. 1.
Шум на местности дозвуковых пассажирских самолетов и вертолетов. — М.: Машиностроение, 1986.
2. Peake N., Crighton G. Active control of sound // Annu. Rev. Fluid Mech. 2000.
V. 32, p. 137—164.
3. Sayed N.Mikkelsen K.,Bridges J. Acoustics and thrust of quiet separate-flow high-bypass-ratio nozzles // AIAA J. 2003. V. 41, N 3, p. 372—378.
4. Mehmet B. Alkislar, Krothapalli A., Butler W. G. The effect of stream-wise vortices on the aeroacoustics of a Mach 0.9 jet // J. Fluid Mech. 2007. V. 578, p. 139 — 169.
5.Khritov K. M., Kozlov V. Y e., K r a s h e n i n n i k o v S. Y u, et al. On the prediction of turbulent jet noise using traditional aeroacoustic methods // J. Aeroacoustic. 2005. V. 4, N 3/4, p. 289—324.
6. J a m e s B r i d g e s , M a r k P. Wernet cross-stream PIV measurements of jets with internal lobed mixers // NASA/TM — 2004-213106. 2004.
7. Al vi F. S., Shih C., Elavarasan R., Garg G. and Krothapalli A. Control of supersonic impinging jet flows using supersonic microjets // AIAA J. 2003. V. 41, N 7, p. 1347—1355.
8. Запрягаев В. И., Киселев Н. П. Структура течения при взаимодействии единичной микроструи с потоком сверхзвуковой струи // ПМТФ. 2009. Т. 50, № 3, с. 104—111.
9. Zapryagaev V. I, Kiselev N. P., Gubanov D. A. Flow structure at an initial section of supersonic underexpanded jet in the presence of microjet vortex generators // Proc. of XV Intern. Conf. Methods of Aerophisical Research ICMAR. 2010. — Novosibirsk, Russia, Pt. I, p. 249—250.
10. Запрягаев В. И., Кавун И. Н., Киселев Н. П. Структура течения на начальном участке сверхзвуковой струи, истекающей из сопла с шевронами // ПМТФ. 2010. Т. 51, № 2, с. 71—80.
11. Бойко В. М., Достовалов А. В., Запрягаев В. И., Кавун И. Н., Киселев Н. П., Пивоваров А. А. Исследование структуры сверхзвуковых неизобарических струй // Ученые записки ЦАГИ. 2010. Т. 41, № 2, с. 44—58.
12. Кузнецов В. М. Основы теории шума турбулентных струй. — М.: Физматлит, 2008, 240 с.
13. Крашенинников С. Ю., Миронов А. К. Экспериментальное исследование влияния условий истечения на акустомеханический КПД турбулентной струи // Акустический журнал. 2008. Т. 54. № 3, с. 451—458.
14. L i e p m a n D., G h a r i b M. The role of streamwise vorticity in the near-field entrai-ment of round jet // J. Fluid Mech. 1992. V. 245, p. 643—668.
Рукопись поступила 9/III2011 г.
