CC BY
43
УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ ЦАГИ Том VI ' 19 7 5
№ 3
УДК 533.6.013.2
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ УДАРНОЙ ЛГ-ВОЛНЫ С МОДЕЛЯМИ НАЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ
К. Б. Соколов
В конической ударной трубе с разрываемой диафрагмой проведено измерение давления у основания моделей двух зданий, находящихся на расстоянии друг от друга от 0,04 до одной длины волны, а также на дне цилиндрического колодца при падении на них под углом 45° ударной ЛГ-волны интенсивностью 300 Па и длительностью 4«10~зс. Приведены значения максимальных коэффициентов отражения, полученные при моделировании взаимодействия М-волны звукового удара с наземными сооружениями. Приводится описание и конструкция малогабаритного пьезоэлектрического датчика давления.
1. Самолет, движущийся со сверхзвуковой скоростью, является источником возмущений в среде, распространяющихся на значительные расстояния вдоль трассы полета. Поле возмущений образуется благодаря взаимодействию различных частей самолета с потоком воздуха, в результате чего возникает система скачков уплотнения. По мере удаления от самолета поле давления видоизменяется, система скачков уплотнения преобразуется в ЛГ-образную ударную волну с хорошо выраженными областями сжатия и разрежения (см., например, [1—3]), которую принято называть А^-волной звукового удара, так как она воспринимается человеком в виде резкого звукового удара. Перепад давлений при отражении М-волны звукового удара от земной поверхности (плоской преграды) в два раза больше, чем в падающей М-волне, т. е. коэффициент отражения
_ Др
Арщах = дтах • — 2. Такое значение коэффициента будет существовать для углов
падения ударной М-волны а — 0 ч- 70°, т. е. для области регулярного отражения {4] и перепадов давления в ее фронте до Арф—2-103 Па [б]. С увеличением угла а >70° (нерегулярное отражение [4]), Артак уменьшается и при значении а = 90°, А/?тах= 1 отражение отсутствует.
При взаимодействии А^-волны звукового удара с наземными сооружениями возможно как значительное увеличение коэффициента отражения (Аршах>2) [6], так и уменьшение его. В некоторых случаях при взаимодействии //-волны звукового удара с препятствием, наблюдаются значительные резонансные колебания ее, приводящие к дополнительному силовому воздействию на сооружение Около препятствий создается существенно нестационарная картина течения со сложным пространственным распределением давления и плотности газа.
2. Результаты, приведенные в данной работе, получены при испытаниях в конической ударной трубе с разрываемой диафрагмой. Модели размещались на экране, установленном под углом 45° к направлению распространения ударной
М-волны. Интенсивность ударной //-волны в области установки моделей состав-лялаЗДрф ~ 300 Па при длительности 0,4-10 3 с.
Конструкция датчика типа МПД [6, 7], при помощи которого измерялось давление на моделях, была усовершенствована. '
Датчик собран по схеме акустического согласования (см., например, [8, 9]) (фиг. 1). Отличительной особенностью датчика МПД-25 по сравнению с другими конструкциями является то, что его пьезоэлемент 1 через небольшой переходной элемент 2 согласуется непосредственно с электродом 3 разъема 5. Кольцо 4,
В)
а—схема конструктивного исполнения датчика МПД; б—типичная тарировочная осциллограмма; в—типичная осциллограмма, полученная при измерении да-влениязу основания модели здания простой формы
Фиг. 1
припаянное к электроду микротракта, улучшает сцепление стержня 2 с корпусом и повышает частотные характеристики датчика. Диаметр чувствительной поверхности датчика 2 мм.
иерия датчика типа МПД-25 была проградуирована на пневматическом устройстве и испытана в ударной трубе. Чувствительность датчиков оказалась не ниже Ы0_5 В/Па. Виброэквиваленты датчика с чувствительностью 3-10~8 В/Па при осевой и поперечной перегрузках соответственно равны: \У0 ~ 100 Па/^ и №,„~50 Па/£. Проводилось исследование влияния температуры окружающей среды на чувствительность датчика. При повышении температуры окружающей среды от 20 до 45° С чувствительность датчика практически не изменяется. Для более низких температур можно воспользоваться данными И. А. Глозмана [10]. В этой работе приведена температурная зависимость величины пьезомодуля для
пьезокерамики РЬ(2г053 Ті0 47)О3 с добавкой Ш03 0,5% и КЬ05 0,5% по свойствам близкой к ЦТС-19. Данные приведены для интервала температур от -)- 20 до —180°С. В интервале температур от +20°С до 0 пьезомодуль уменьшается
0,1%/Г С; от 0 до — 40°С- 0,25%/ГС.
3. В работе [11] моделировалось взаимодействие Л^-волны звукового удара с двумя стоящими рядом зданиями разной высоты. В этой работе приводится
/—изменение давления Ар (5) в падающей 'волне; сзв—скорость звука
Фиг. 2
максимальный коэффициент отражения Д/>+ах = 3,5, полученный при изучении взаимодействия ударной А^-волны длительностью .—■ 1,5-10—3 с с моделями указанных зданий. Очевидно, что как максимальные перепады давлений, так и изменение давления во времени у основания зданий (между ними) зависят не только от их высоты, но и от расстояния, на котором они расположены друг от друга.
Из полученных в данной работе зависимостей Др (7) можно проследить влияние волны, отраженной от одного здания, на изменение давления во времени у основания соседнего здания. Это влияние еще очень значительно на расстоянии между зданиями 5, равном половине длины волны —0,51+. В случае, когда здания расположены на расстоянии 5 = 0,1 /+ и меньше, различие в зависимостях Ар (() практически отсутствует.
— Ар
Из зависимостей коэффициента отражения Ар^ах = ■--дШах от относительного (значок указывает на фазу сжатия) расстояния между моделями зданий 5 (фиг. 2) видно, что у основания второго (по отношению к падающей волне) здания, значение Ар^ах~4 достигается при увеличении расстояния между ними до —0,8 длины волны. При этом же значении 5 у основания первого здания (за ним) устанавливается наименьшее значение коэффициента отражения, равное Д/>*ах~1,1. Коэффициенты отражения в точках А и Б (см. фиг. 2) одинаковы и равняются Ар+ах ~ 2,7 при значении 5, равном четверти длины волны. В реальном случае это расстояние будет соответствовать 34 м при длине волны 136 м (*± =0,4 с) й высоте зданий 42 м.
Кроме значительного увеличения коэффициентов отражения в условиях города при падении на него Л^-волны звукового удара в некоторых случаях (между зданиями, в сооружениях типа колодец и т. д.) имеют место значительные резонансные колебания ударной волны [11], которые, по-видимому, должны существенно увеличивать силовое воздействие на эти сооружения.
В настоящей работе были проведены измерения давления в центре основания цилиндрических „колодцев" диаметром 26 и 12 мм (что соответствует ■—0,2
и 0,1 длины волны) различной глубины, выполненных в экране, имитирующем земную поверхность. Зависимость Др*ах от глубины ,колодца", выраженной в его диаметрах Ак = Лк/йк (фиг. 3), показывает, что наибольшие коэффициенты отражения Дртах ~ 3,3 соответствуют Лк = 1.
В таблице приведены некоторые максимальные коэффициенты отражения, полученные при экспериментальном исследовании взаимодействия ударной М-волны слабой интенсивности с моделями наземных сооружений. .
ЛИТЕРАТУРА
1. Жилин Ю. Л. Звуковой удар от сверхзвукового пассажирского самолета. Труды ЦАГИ, вып. 1489, 1973.
2. Ж и л и н Ю. Л., Лавров Ю. В. Сравнение теоретических и натурных экспериментальных данных по звуковому удару от легкого самолета. Труды ЦАГИ, вып. 1489, 1973.
3. Ferri A., Schwartz 1. R. Sonic boom generation propagation and minimization. A1AA 10th Aerospase {Sciences Meeting. AIAA Paper, N 72-194, 1972.
4. Голубинский А. И., Соколов К. Б., Хитрук Т. С., Окунева Л. А. Исследование отражения, дифракции и фокусировки ЛГ-волны звукового удара на моделях различных сооружений. Труды ЦАГИ, вып. 1397, 1972.
5. Я к о в л е в Ю. С. Гидродинамика взрыва. Л., Судпромгиз, 1961.
6. С о к о л о в К. Б. Взаимодействие N-волны звукового удара с препятствием в окрестности угловых точек. .Ученые записки ЦАГИ", т. IV, № 5, 1973.
7. Соколов К. Б. К методике экспериментального изучения нестационарных процессов. „Ученые записки ЦАГИ", т. IV, № 1,1973.
8. 3 а й ц е в С. Г. Об измерении быстроменяющихся давлений в газовой среде. ПТЭ, АН СССР, 1958, № 6.
9. Роглэнд, К у л л эн. Пьезоэлектрический датчик давления с акустическим стержнем. Приборы для научных исследований. М., „Мир“, 1967.
10. Глозмян И. А. Пьезоэлектрические материалы в электронной технике. М.—Л., „Энергия", 1965.
11. Peschke W. Experimental investigation of N-wave interaction with topographic models. AIAA 4th Fluid and plasma dynamics conference. AIAA Paper, N 71-619, 1971.
12. R а о В. М., Z u m w a 11 Q. W. Difraction and reflection of sonic boom waves. J. de Mecanique, vol. 9, N 2, 1970.
Рукопись поступила 26jIII 1974 г■
