CC BY
54
_________УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ ЦАГИ
Том XXVIII 199 7 ~
№2
УДК 534.83:532.525.2
ВЛИЯНИЕ ПОПЕРЕЧНОГО АКУСТИЧЕСКОГО ОБЛУЧЕНИЯ НА ИНТЕНСИВНОСТЬ СМЕШЕНИЯ И ДЕФОРМАЦИЮ СЕЧЕНИЙ КРУГЛОЙ СТРУИ
Е. В. Власов, А. С. Гиневский, Т. М. Макаренко
Изложены результаты экспериментального исследования воздействия поперечного акустического возбуждения корневой части круглой турбулентной струи на изменение скорости и интенсивности продольных пульсаций скорости, а также формы поперечного сечения. Эксперименты выполнены при начальном ламинарном тираничном слое на срезе сопла. ,,
1. Исследование проводилось на аэродинамической установке с диаметром выходного сечения сопла ё = 20 мм при скорости истечения щ — 20 м/с, что соответствует числу Рейнольдса Ле = и0 й/\ = 2,8 • 104. Начальная турбулентность в ядре потока на срезе сопла при отсутствии возбуждения составляла вИо = <к'2)^2 / «о = 0,25%. Параметры пограничного слоя в выходном сечении сопла составляли 5^ = 0,23 мм, 8“ = 0,11 мм и формпараметр Л = 5* / 5^* = 2,09, так что пограничный
слой был близок к ламинарному.
Поперечное акустическое возбуждение корневой части струи осуществлялось с помощью динамика с диаметром диффузора 250 мм; расстояние выходного сечения диффузора динамика от оси струи выбиралось таким, чтобы не вызвать отклонения струи и исключить реализацию эффекта Коанда. Схема установки приведена на рис. 1. Уровни звукового давления в центре выходного сечения сопла при отсутствии потока могли изменяться в пределах Ь = 109 — 124 дБ. Эти уровни измерялись с помощью шумомера 2206 фирмы Брюль и Къер. Средние и пульсационные скорости измерялись с помощью комплекта термоанемометрической аппаратуры фирмы Баглее. Параметры акустических колебаний задавались с помощью звукового генератора ЗГ-ЗОЗ и усилителя мощности.
2. На рис. 1 представлены зависимости изменения скорости в фиксированной точке на оси струи (расположенной от среза сопла на
0,5
Рис. 1. Изменение скорости в фиксированной точке на оси струи х/с1 = 8 в зависимости от чисел и X:
7 — X = 109 дБ; 2 — Ь “116 дБ; 3 —Xт 124 дБ
расстоянии х/й = 8) от частоты и уровня акустического возбуждения, т. е. от числа Струхаля и Ь. В полном соответствии с ранее полученными результатами [1]—[3] установлено, что в диапазоне Бц - 0,1 -1,2 происходит интенсификация смешения, а в диапазоне = 1,2 -10 — его ослабление. При Лом в первом случае средняя скорость в точке х/с/= 8 на оси струи падает (до 30% при'1 £= 124 дБ), во втором случае — растет (до ~ 15%). Соответственно увеличивается или уменьшается интенсивность продольных пульсаций скорости (рис. 2). Как следует из рис. 2, при низкочастотном периодическом возбуждении (Бг5 = 0,24) с ростом интенсивности возбуждения эффект усиливается,
после чего наступает насыщение [1]—[4], при высокочастотном возбуждении (Б^ .= 3,7) с ростом интенсивности возбуждения изменение
скорости и интенсивности пульсаций скорости происходит немонотонно: сначала эффект смешения усиливается, достигается оптимум, а затем ослабляется и при дальнейшем росте интенсивности облучения может произойти изменение знака воздействия.
Аналогичный вывод был ранее получен при продольном акустическом облучении струи [3], а также при поперечных вибрациях сопла [4].
Представляет интерес сопоставление диапазонов, соответствующих высоко-
Рис 2. Зависимости средней скорости и интенсивности ее пульсаций от уровня звукового давлениях: а) в!, - 0,24; 15) а, - 3,7
частотному акустическому облучению чисел Струхаля Б!**, при которых в случае начального ламинарного пограничного слоя реализуется ослабление турбулентного смешения и соответственно снижение шума в дальнем поле струи [2]. Соответствующие данные приведены ниже для случаев продольного, поперечного и радиального акустического
Как показали настоящие и предыдущие измерения авторов данной работы, при поперечном акустическом облучении круглой турбулентной струи не происходит искривления ее оси. Как продольное, так и поперечное акустическое облучение струи генерирует на ее выходной кромке вихревые возмущения (вихревые кольца), которые взаимодействуют с когерентными структурами начального участка струи. При продольном акустическом облучении струи образующиеся на кромке сопла вихревые кольца носят осесимметричный характер, при поперечном облучении эти кольца теряют осевую симметрию, становятся наклонными, причем ближняя к излучателю часть кольца движется быстрее, чем его дальняя часть. Это явление было исследовано визуально с помощью сдвигового интерферометра [10], причем наклон плоскости вихревого кольца достигал 2—3°.
Указанное явление является причиной поперечной деформации сечений струи, ее изотах и линий равных значений продольных пульсаций. Применительно к низкочастотному акустическому облучению оно было изучено в работе [11]. Ниже приводятся результаты исследования указанного явления для случаев поперечного низкочастотного и высокочастотного акустического облучения струи. На рис. 3 представ-
Рис. 3. Профили средней продольной скорости в двух взаимно перпендикулярных меридиональных плоскостях в сечении х/Л = 8 при разных значениях и фиксированном Ь (а), при разных £ и фиксированном 81, (й):
а)Ь= 124 дБ, 1 - - 0; 2-в!,- 0,24; 3 - - 3,7;
в) 81, - 0,24, 1 — £ - 0; 2 — £ - 111 дБ; 3 - £ - 119 дБ; 4 -
. £ » 124 дБ
оолучения.
Акустическое облучение Источник
Продольное 0,008-0,024 [5]
Радиальное 0,015 [6]
Поперечное 0,006-0,02 [71
Продольное 0,006-0,024 [8]
Продольное 0,01-0,02 [9]
Поперечное 0,01-0,042 Наст.
работа
лены профили средней продольной скорости в двух взаимно перпендикулярных меридиональных плоскостях (у=0 И £=0) в сечении x/d = 8 при разных значениях Sts и L. Обращает на себя внимание нарушение осевой симметрии при низкочастотном облучении и ее сохранение при высокочастотном возбуждении. На рис. 4, а представлены изотахи при Sts = var в сечении x/d - 8 (кривые соответствуют линиям равных скоростей и / и0 = 0,1), на рис 4, б показано, что вызванная низкочастотным облучением овальность поперечного сечения усиливается вдоль по потоку.
Аналогичная деформация поперечного сечения струи наблюдается при низкочастотных поперечных колебаниях круглого сопла с большой амплитудой [12].
Настоящая работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 94-01-01135).
ЛИТЕРАТУРА
1. Гиневский А. С., Власов Е. В., Колесников А. В. Аэро-акусгические взаимодействия.—М.: Машиностроение.—1978.
2. Власов Е. В., Гиневский А. С. Когерентные структуры в турбулентных струях и следах. Итоги науки и техники. Сер.: Механика жидкости и газа. T. 20.-М.: ВИНИТИ.-1986.
3. Власов Е. В., Гиневский А. С. Генерация и подавление турбулентности в осесимметричной турбулентной струе при акустическом воздействии // Изв. АН СССР, МЖГ.-1973, № 6.
4. Ginevsky A. S. Acoustic, vibrational and aerodynamical methods of turbulent mixing control in subsonic jets. The active control of vibration. Symposium, 5—8 September 1994,—London.
5 Zamman К. В. M. Q., Hussain А. К. M. F. Turbulence suppression in free shear flows by controlled excitation // A1AA Paper.—1980,
N 1338.
6. Kibens V. Discrete noise spectrum generated by an acoustically excited jet // AIAA J.—1980, V. 18, N 4.
7. Павельев А. А., Цыганок В. И. Влияние акустики и режима течения в пограничном слое на стенках сопла на слой смешения затопленной струи // Изв. АН СССР, МЖГ.-1982, № 6.
8. Власов Е. В., Гиневский А. С., Карав о со в Р. К. Аэроаку-сггические характеристики акустически возбужденных струй // В кн.: Акустика турбулентных потоков.— М.: Наука,—1983.
Z/d
L.
а)
---------------- б)
Рис. 4. Изотахи {и/щ = 0,1) в поперечном сечении струи х/й = 8 при = уаг (а) и изменение овальности изотах вдоль по потоку (б):
1 - = 0; 2 - а, = 0,24; 3 - в!, = 0,41; 4 -
в!, = 3,7
9. Hussain А. К. M. F., Hasan M. A. Z. Turbulence suppression in flee turbulent shear flows under controlled excitation. Part 2: Jet — noise reduction // J. Fluid Mech.—1985. V. 150.
10. Безменова Т. H., Макаренко Т. М., Рыбаков В. И., Яковлев В. А. Визуализация дозвуковой неизотермической струи // Сибирский физико-технический журнал. — 1992, № 3.
11. Ogava N.. Maki Н., Kuroda К. Studies on tone-excited jet // Trans. Jap. Soc. Mech. Eng. B.—1993. V. 59, N 566.
12. В л а с о в E. В., Гиневский А. С. Вибрационное воздействие на аэродинамические характеристики турбулентной струи // Промышленная аэродинамика, 1973, вып. 30. — М.: Машиностроение.
Рукопись поступила 18/11996 г.
