CC BY
37
_______УЧЕНЫЕ
Том XXV
ЗАПИСКИ
1994
ДА Г И
№3-4
УДК 532. 525. 2
ВЛИЯНИЕ КОГЕРЕНТНЫХ СТРУКТУР НА ХАРАКТЕРИСТИКИ БЛИЖНЕГО ЗВУКОВОГО ПОЛЯ ТУРБУЛЕНТНОЙ СТРУИ
Е. В. Власов, Т. М. Макаренко
Рассматривается роль крупномасштабных когерентных структур, образующихся в начальном участке турбулентной струи, в формировании ближнего звукового поля. Измерения коэффициентов пространственно-временнбй корреляции пульсаций скорости в ядре струи и пульсаций давления в ближнем поле показали тесную связь пульсаций давления с когерентными структурами. Усиление или ослабление крупномасштабных структур путем внешнего воздействия приводит к соответствующему изменению характеристик ближнего звукового поля струи. Для объяснения физики рассматриваемых явлений выполнена визуализация потока в струе.
В настоящее время большое внимание уделяется важной роли крупномасштабных периодических вихревых образований, так называемых когерентных структур, в аэроакустике турбулентных струй. Эти структуры развиваются на фоне мелкомасштабной турбулентности; их рост, спаривание и последующее разрушение в пределах начального участка дозвуковой струи во многом определяют аэродинамические характеристики струи и генерацию ею аэродинамического шума. Именно наличие когерентных структур в начальном участке дозвуковой струи делает ее чувствительной к различного рода периодическим воздействиям (акустическим, вибрационным и др.). Так, было установлено, что при акустическом возбуждении струи в зависимости от частоты воздействующего сигнала происходит либо укрупнение, либо измельчение когерентных структур в пределах начального участка, что обусловливает интенсификацию или ослабление турбулентного перемешивания и, соответственно, усиление или ослабление шума струи [1].
В настоящей статье сделана попытка исследовать непосредственную связь крупномасштабных структур с характеристиками ближнего звукового поля струи.
На рис. 1 представлены результаты измерений корреляций пульсаций продольной скорости в потенциальном ядре начального участка струи {х/й = 3, у/й = 0) и пульсаций давления в ее ближнем поле (х/й = 4, у/й = 1,4). Эти измерения показали, что коэффициенты корреляции В.ир достигают максимума при 8Ь = 0,4-0,5 как для холодной, так и для подогретой струи. Именно это значение числа Струхаля соответствует крупномасштабным когерентным структурам ближе к концу начального участка [1]. При низкочастотном акустическом облучении (8Ь5 = 0,32) максимальный коэффициент корреляции Лир возрастает более чем вдвое. При высокочастотном облучении величина Яир уменьшается на 25%. Однако во всех случаях максимум Кир соответствует одному и тому же значению числа Струхаля. На рис. 2 представлены коэффициенты корреляции Кир, Иур, Ярр, измеренные в третьоктавных полосах частот, при х/й = 3,5. Здесь также наблюдается ярко выраженный максимум вблизи чисел Струхаля 811 = 0,4-0,5. Эти результаты свидетельствуют о важной роли крупномасштабных когерентных структур в процессах генерации пульсаций давления в ближнем поле струи. Здесь: х, у — координаты рассматриваемой точки относительно среза сопла соответственно вдоль оси струи и в поперечном сечении; й — диаметр сопла; и — средняя скорость истечения струи; 7о — температура струи; Яир, Яур — коэффициенты пространственной корреляции пульсаций скорости (продольной или поперечной) на оси потенциального ядра струи и пульсаций давления в ближнем поле струи; Ярр — коэффициент пространственной корреляции пульсаций давления в потенциальном ядре и в ближнем поле струи; / — частота пульсаций (давления или скорости); /5 — частота воздействующего звука; 811 = /й/и — число Струхаля; 81г, = /5 й/и — число Струхаля, подсчитанное по частоте воздействующего звука.
С целью объяснения физики рассматриваемых явлений была выполнена визуализация струи [2], которая помогает обнаружить когерентные структуры, а также проследить за их развитием во времени в возбужденной и невозбужденной струе. Для визуализации использовался сдвиговый интерферометр с фото- и киносъемкой. Полученные фотографии показали, что в струе присутствуют тороидальные структуры, которые возникают на расстоянии 0,5 й от выходной кромки сопла и отчетливо виднът до 4 й. Низкочастотное возбуждение струи на характерной частоте когерентных структур (8Ь5 = 0,125) приводило к их стабилизации. При высокочастотном возбуждении струи когерентные структуры развивались более медленно. Однако во всех случаях характерная частота когерентных структур не изменялась. Таким об-
ив
Рис. 1. Результаты измерений корреляций пульсаций продольной скорости в потенциальном ядре начального участка струи (х/ё = 3, у/ё = 0) и пульсаций давления в ее ближнем поле (х/ё = 4, у/ё = 1,4);
1 - 51г5 = 0, Г0 = 293К
2-81і* =3,7,
3 - = 0,32,
4 - = 0,
Т0 = 293К 7Ь = 293К Т0 = 423К
Рис. 2. Коэффициенты корреляции: 1 — Кир;
2 Кур 1 3 Ярр
разом, результаты визуализации хорошо согласуются с приведенными на рис. 1—2 результатами измерений пространственных корреляций пульсаций давления и скорости.
Весьма интересно знать, насколько далеко от границы струи сохраняется прямое влияние крупномасштабных структур на характеристики ближнего звукового поля струи. Ответ на этот вопрос можно получить на основе анализа результатов измерений функции когерентности пульсаций давления в ближнем поле струи [3]. Некоторые из полученных зависимостей функции когерентности пульсаций давления от числа Струхаля при и = 200 м/с и х/й = 3 представлены на рис. 3 (у/й = 1,5) и рис. 4 (у/й = 4). Как и следовало ожидать, при увеличении числа Струхаля значение функции когерентности в общем уменьшается. Однако при числе Струхаля, соответствующем характерной частоте когерентных структур, функция когерентности имеет локальный максимум. Измерения показали, что этот максимум проявляется тем отчетливее, чем ближе к начальному участку струи (х/й = 3-5) находится наблюдаемая точка. В то же время при удалении от 1раницы струи (увеличении параметра у/й) этот максимум становится все менее заметнее.
Рис. 3. Зависимости функции когерентности пульсаций давления от числа Струхаля при и = 200 м/с,
Рис. 4. Зависимости функции когерентности пульсаций давления от числа Струхаля при и = 200 м/с, х/ё— 3, у/(1=4
x/d~3,y/d=l,5
Таким образом, на основе термоанемометрических, акустических и визуальных исследований показано, что когерентные крупномасштабные структуры вносят определенный вклад в формирование ближнего звукового поля турбулентной струи. Максимумы пространственных корреляций яир, В^р И Крр, измеренных по обе стороны от слоя смешения турбулентной струи в третьоктавных полосах частот, соответствуют числу Струхаля крупномасштабных когерентных структур в конце начального участка струи. Этому же числу Струхаля соответствует и локальный максимум функции когерентности пульсаций давления в ближнем поле струи.
1. В л а с о в Е. В., Г и н е в с к и й А. С. Когерентные структуры в турбулентных струях и следах // Итоги науки и техники. Сер. «Механика жидкости и газа». Т. 20,— М.: ВИНИТИ, 1986.
2. Makarenko Т. М., Voinova Т. I., Bezmenova Т. N., Ribakov V. I. Subsonic jet visualization // Proceedings of the 6 International Symposium on Row Visualization.— Yokohama, Japan, 1992.
3. Власов E. В., Каравосов P. К., Макаренко Т. М. Пространственно-временная структура пульсаций давления в ближнем поле турбулентной струи // Тезисы докладов Международной конференции по борьбе с шумом и вибрацией «NOISE-93».— СПб., 1993.
ЛИТЕРАТУРА
Рукопись поступила 12/III1994 г.
