CC BY
89
__________УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ ЦАГИ
Том XXX 1999
№1 — 2
УДК 538.4:532.525
ЗВУКОВОЕ ПОЛЕ СТРУИ, ИСТЕКАЮЩЕЙ ИЗ ПРЯМОУГОЛЬНОГО СОПЛА
Е. В. Власов, Р. К. Каравосов, В. Ф. Самохин
Представлены результаты экспериментальных исследований акустических характеристик дозвуковых турбулентных струй, истекающих из прямоугольных сопл с относительно небольшим соотношением сторон выходного сечения. Показано, что направленность звукового излучения и спектры шума в дальнем акустическом поле таких струй близки к соответствующим характеристикам струи, истекающей из круглого сопла.
Акустические характеристики турбулентных струй, истекающих из сопл с прямоугольной формой выходного сечения, привлекают внимание исследователей уже на протяжении многих лет. Это обусловлено тем, что такие сопла довольно широко используются в современной технике. В частности, в авиации они применяются в системах вентиляции и обогрева кабин самолетов, в системах увеличения подъемной силы крыла самолетов с укороченной длиной пробега, а также в компоновках силовых установок перспективных летательных аппаратов. Однако в большинстве опубликованных работ рассматривается либо случай истечения дозвуковой турбулентной струи из прямоугольного сопла с относительно большим соотношением сторон выходного сечения (так называемые щелевидные сопла), либо случай истечения сверхзвуковой турбулентной струи из сопл с различным соотношением сторон выходного сечения (как большим, так и малым).
В первом случае основным источником шума является турбулентное смешение щелевой струи с окружающей атмосферой. При этом большинство известных экспериментальных данных [1] указывает на тенденцию некоторого снижения уровней шума струи, истекающей из щелевидного сопла, по сравнению с уровнями шума осесимметричной струи.. Наибольшее снижение шума достигается, когда короткая кромка сопла ориентирована в сторону наблюдателя.
Во втором случае применение сопла прямоугольной формы приводит к ослаблению широкополосного и дискретного шумов сверхзвуковой струи, связанных с наличием скачков уплотнения [2], [3]. При этом моды колебаний струи на частоте дискретного тона различны для плоских струй (поперечные моды колебаний) и круглых струй (осесимметричные, поперечные и спиральные моды).
Настоящая статья, являющаяся развитием работы [4], содержит результаты экспериментальных исследований акустических характеристик дозвуковых турбулентных струй, истекающих из прямоугольных сопл с относительно небольшим соотношением сторон выходного сечения. При этом выявлены некоторые характерные особенности звукового поля таких струй.
Измерения проводились в заглушенной камере. Струи истекали из прямоугольных сопл с размерами 70 х 18 мм2, 70 х 27,5 мм2, 70 х 39 мм2, с удлинением Ъ, соответственно равным 3,9; 2,55; 1,8. Скорость истечения струй составляла щ = 280 м/с. Микрофоны (типа 4136 фирмы Брюль и Къер) устанавливались на дуге окружности радиуса 2 м с центром, расположенным на оси струи в плоскости среза сопла. Точки измерения располагались под углами ср = 30, 45, 60, 90 и 120° от положительного (вниз по потоку) направления оси струи. Измерения проводились в двух плоскостях: со стороны короткой и длинной кромок сопла.
Результаты измерений сравнивались с данными, полученными при измерениях шума струи, истекающей из круглого осесимметричного сопла диаметром ¿=37 мм со скоростью 280 м/с (число Рейнольдса Яе = « 7,8 • 105). При построении обобщенных спектров шума в треть-
октавных полосах частот уровни звукового давления струй, истекающих из прямоугольных сопл, приводились к уровням звукового давления круглой струи путем введения поправки АЬ - 10^(5’п/1^к), где 5П и 5К — площади выходных сечений прямоугольного и круглого сопл соответственно. При определении числа Струхаля БИ = Уй?э/м эквивалентный диаметр рассчитывался по площадям £п или £к. На рис. 1 представлены характеристики направленности звукового излучения исследованных струй. Здесь АЬ — разность между уровнем звукового давления в точке измерений и уровнем звукового давления, регистрируемым при ф = 90° в случае истечения струи из круглого сопла. Видно, что нормированные уровни шума для всех трех прямоугольных сопл практически совпадают. При этом они не отличаются как со стороны короткой кромки сопла, так и со стороны длинной кромки. В то же время для всех углов ф нормированные уровни шума струй, истекающих из прямоугольных сопл, совпадают с соответствующими уровнями шума круглой струи.
Сравнение спектров шума, генерируемого струями, истекающими из всех исследованных прямоугольных сопл ( при измерениях со стороны короткой и длинной кромок сопла) также указывает на их полную идентич-
Д Ь,дБ
Рис. 1. Характеристики направленности шума струй, истекающих из круглого и прямоугольных сопл лс = 1,6:
1 — круглое сопло; 2 — сопло Ъ - 3,9 со стороны длинной кромки; 3 — сопло ¿>=1,8 со стороны длинной кромки; 4 — сопло А = 3,9 со стороны короткой кромки; 5 — сопло Ь = 1,8 со стороны короткой кромки
Рис. 2. Спектры шума струи: а — ф = 30°, измерения со стороны длинной кромки сопла; б — <р = 30°, измерения со стороны короткой кромки сопла; в — ср = 90°, измерения со стороны длинной кромки сопла; г — Ф = 90°, измерения со стороны короткой кромки сопла;
1 — круглая струя; 2 — прямоугольное сопло 4=3,9; 3 — ¿»=2,55; 4 — Ъ = 1,8
ность. Эти спектры совпадают с соответствующими спектрами для круглой струи.
Для иллюстрации этого вывода на рис. 2 представлены спектры шума струй при Ф = 30 и 90°. Аналогичные закономерности наблюдались и при других значениях ф.
Таким образом, можно сделать следующие выводы: во-первых, характеристики акустического поля дозвуковых турбулентных струй, истекающих из сопл с малым удлинением, практически не изменяются в азимутальной плоскости; во-вторых, акустическое поле таких струй практически совпадает с акустическим полем струи, истекающей из круглого сопла с эквивалентной площадью выходного сечения, при одинаковой скорости истечения.
По-видимому, указанные эффекты объясняются особенностями аэродинамических характеристик турбулентных струй, истекающих из прямоугольных сопл. Действительно, как показано на основе расчетных исследований [5], уже на относительно небольшом расстоянии от среза сопла происходит переориентация большой и малой осей профилей осредненных скоростей в поперечных сечениях струи. Причем такая переориентация осей в процессе развития струи может происходить несколько раз. Вследствие этого дальнее акустическое поле струи, формирующееся в результате излучения звука от различных участков струи, становится по своим характеристикам близким к акустическому полю круглой осесимметричной струи.
Настоящая работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант 96-01-00037).
1.Кузнецов В. М. Звуковое поле струи, истекающей из щелевидного сопла// Труды ЦАГИ. — 1979. Вып. 2000.
2. N о г u ш Т. D. Screach suppression in supersonic jets // AIAAJ. — 1983. Vol. 21.
3. Y u J. C., Seiner J. M. Nearfield observations on tones generated from supersonic jet flows // AIAA Paper. — 1983, N 83-0706.
4. В л а с о в Е. В., JI а в р у х и н Г. Н., С а м о х и н В. Ф., Туманов В. А. Некоторые особенности аэроакустических характеристик выхлопных систем перспективных пассажирских самолетов. Труды II международного симпозиума «Транспортный шум и вибрации». — СПб. — 1994.
5. Grinstein F. F., De V о г е С. R. Dynamics of coherent structures and transition to turbulence in free square jets // Phys. Fluids. — 1996. Vol. 8, N 5.
Рукопись поступила 10/IX 1997 г.
