CC BY
13ВЛИЯНИЕ РЕЖИМА ТЕЧЕНИЯ В ПОГРАНИЧНОМ СЛОЕ СОПЛА НА ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ СТРУИ К ВНЕШНИМ АКУСТИЧЕСКИМ КОЛЕБАНИЯМ.
Лебедев Л.Л.([email protected]) МФТИ, Исследовательский центр Келдыша
В различных технических устройствах необходимо знание характеристик потока на начальном участке струи. Построение модели течения на начальном участке струи требует знания различных факторов, влияющих на течение в данном случае. Одним из таких факторов являются акустические колебания, источником которых может быть как сам поток, так и внешние источники.
В зависимости от частоты и амплитуды акустических колебаний, воздействующих на струю, наблюдалось как увеличение,
Ю
при числе Струхаля, построенного по диаметру струи StD = — ~ 0,3,
ио
так и уменьшение, при StD ~ 3, интенсивности пульсаций скорости на оси струи, где Ю - диаметр струи, / - частота внешнего акустического возмущения, и0 - скорость на входе. Далее везде под интенсивностью пульсаций подразумевается отношение среднеквадратичного значения продольных пульсаций к средней скорости на оси потока.
Несмотря на большое количество полученных экспериментальных данных, в вопросе воздействия акустики на струи при турбулентном режиме течения существует некоторая неопределённость. Так в [1] высокочастотный эффект исследовался только при ламинарном режиме течения, в [2] наблюдался при
ламинарном, и не был зафиксирован при турбулентном, в [3,4] был получен как при ламинарном, так и при турбулентном режиме течения.
1. В работе исследовалась зависимость интенсивности пульсаций скорости на оси струи от амплитуды и частоты внешнего акустического облучения при различных режимах течения в пограничном слое трубы.
Экспериментальная установка представляла собой аэродинамическую трубу с открытой рабочей частью. В выходном сечении получается течение с плоским профилем средней скорости по всему сечению, за исключением тонких пограничных слоёв на стенках сопла. Измерения проводились при скорости на оси трубы 17 м/с. Интенсивность продольных пульсаций скорости на оси не превышала 0,5% от средней скорости. Воздух от вентилятора подавался в успокоительную камеру, схему которой можно найти в работе [5]. После конфузора устанавливался сменный отрезок трубы длиной 100 мм., внутренним диаметром 49 мм., и толщиной стенки 2 мм. В качестве турбулизатора использовалась медная проволока толщиной 0,3 мм., которая вклеивалась во внутреннюю часть трубы на расстоянии 5 мм. до среза.
Измерения проводились с помощью комплекса термоанемометрической аппаратуры DISA 55. Сигнал от датчика термоанемометра поступал на среднеквадратичный вольтметр и через интегратор на вольтметр. Данные скорости и интенсивности пульсаций скорости с помощью аналого-цифрового преобразователя записывались на компьютер.
Для создания акустического поля с контролируемой амплитудой выходного сигнала использовался низкочастотный генератор ГЗ-104 с входом автоматической регулировки уровня
сигнала, с помощью которого он соединялся с шумомером В^^Юет 2209 и образовывал систему с обратной связью. Для измерения звукового давления использовался микрофон конденсаторного типа шумомера В^^Юет 2209 с линейной амплитудно-частотной характеристикой в рабочем диапазоне частот, который находился на расстоянии порядка D от испытываемой кромки. Сигнал от генератора усиливался на выходе усилителем мощности низкой частоты и поступал на излучатель звуковой частоты, установленный перпендикулярно к оси потока на расстояние около 15см от оси потока. Для подавления внешних шумов и резонансов вся рабочая часть установки помещена в безэховую камеру шириной и высотой 45см. и длиной 160см. Уровень шума в лабораторном помещении не превышал 60 Дб.
2. Исследование влияния режима течения на чувствительность струи к акустическому возбуждению проводились следующим образом. При заданной амплитуде внешнего акустического возмущения проводились измерения интенсивности пульсаций скорости и'( /) в зависимости от частоты облучения при ламинарном режиме течения на стенках трубы. Далее выходной отрезок трубы заменялся на аналогичный с установленным турбулизатором, и проводились измерения и'(/) при тех же параметрах акустического поля. Измерения были сделаны для трёх значений амплитуды звукового возбуждения: 120, 110, 100 Дб. Результаты исследований представлены на рис. 1 в виде сглаженных полиномами кривых зависимости и'(/). Видно, что турбулизация пограничного слоя сказывается как на низкочастотном эффекте увеличения пульсаций, так и на высокочастотном эффекте ослабления пульсаций скорости. Причём при амплитуде облучения 1 00 Дб эффект замедления
перемешивания при ламинарном пограничном слое наблюдается, а при турбулентном нет.
0.12 |-
и'
о □□ Ш_I_I_I........I_I_I........
0.1 1 10
Рис. 1. Зависимость интенсивности пульсаций скорости на оси струи на расстоянии 2,5Э от среза от числа Струхаля при ламинарном (1-3) и турбулентном (1 — 3)'пограничном слое и различных амплитудах звукового возбуждения. 1 - 1 20 Дб, 2 - 110 Дб, 3 - 100 Дб.
Действительно, в случае реализации ламинарного участка течения в слое смешения, вводимые на кромке сопла возмущения определённой длины волны(соответствующей частоте наиболее
в
быстро растущих возмущений, — ~ 0,017, где в - толщина
и0
потери импульса), в конце участка перехода многократно
усиливаются. Регуляризация начальных возмущений на кромке при помощи акустических колебаний этой частоты приводит к образованию в слое смешения в конце участка перехода последовательно расположенных двухмерных монохроматичных кольцевых вихрей, которые сохраняются на больших расстояниях от среза сопла. Взаимодействие образовавшихся вихрей с более крупномасштабными движениями в слое смешения, дающими основной вклад в энергию турбулентности, может приводить к ослаблению последних. Поэтому, исключение ламинарного участка течения в слое смешения путём турбулизации пограничного слоя на стенке трубы приводит к исчезновению зоны образования упорядоченного вихревого движения и генерация вихрей в данном случае может происходить непосредственно на кромке. В результате мы получаем ослабление эффекта замедления перемешивания и снижения пульсаций скорости на оси струи. Причём, при низкой интенсивности акустического облучения (но достаточной для наблюдения высокочастотного эффекта при ламинарном пограничном слое) амплитуда турбулентных вихрей в пограничном слое может значительно превосходить амплитуду образующихся таким образом на кромке упорядоченных структур, и стабилизация сдвигового течения вообще может не наблюдаться.
Поэтому, как отмечалось выше, в случае реализации эффекта ослабления перемешивания при ламинарном пограничном слое, его турбулизация при неизменной амплитуде акустического возбуждения может приводить к значительному ослаблению эффекта. И тогда для его прежней реализации требуется повышенный уровень акустического возбуждения.
Заключение. Проведённые исследования показали зависимость акустических эффектов от амплитуды воздействия как
при ламинарном, так и при турбулентном режиме течения в пограничном слое сопла. Причём понижение амплитуды акустического облучения до такого уровня, что высокочастотный эффект замедления перемешивания при турбулентном пограничном слое не наблюдается, не приводило к тому, что этот эффект исчезает при ламинарном пограничном слое на стенках сопла.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Zaman K. B. M. Q., Hussian A. K. M. F. Turbulence suppression in free shear flows by controlled excitation // AIAA Paper. 1980. №1338. P. 16.
2. 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. С. 36-42.
3. Власов Е. В., Гиневский А. С., Каравосов Р.К. Аэроакустические характеристики акустически возбуждённых струй // Акустика турбулентных потоков // М.: Наука, 1983. С. 14-21.
4. Власов Е. В., Гиневский А. С., Каравосов Р.К., Макаренко Т.М. О подавлении турбулентности в дозвуковых струях при их высокочастотном акустическом возбуждении // Изв. АН СССР. МЖГ. 1999. №1. С. 28-34.
5. Коляда В.В., Павельев А.А. О переходе к турбулентности на начальном участке круглой трубы // Изв. АН СССР. МЖГ. 1985. №4. С. 52-56.
