автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.13, диссертация на тему:Экспериментальное исследование аэроакустических характеристик турбулентного вихревого кольца

ДЕЦТ^ТЫ

ЦЕЦТЭДИЪНЫИ АЭРОГИДРОДИНАМИЧЕСКИИ ИНСТИТУТ имени профессора Н.Е. Жуковского

НА ПРАВАХ РУКОПИСИ

Зайцев Михаил Юрьевич

УДК 534.874.2

Экспериментальное исследование аэроакустических характеристик турбулентного вихревого кольца

05.07.13 - АКУСТИКА ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

АВТОРЕФЕРАТ

ДИССЕРТАЦИИ НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ КАНДИДАТА ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИХ НАУК

Москва - 1994

Работа выполнена в Центральном Аэрогидродинамическом Институте имеш: профессора U.E. Жуковского. ЦАГИ.

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук,

ст научн. сотр. КОПЬЕВ В.Ф.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор ГИНЕВСКИЙ A.C., кандидат физико-математических наук МИРОНОВ М.А.

Ведущее предприятие: ЦИАМ им. П.И. Баранова

Защита состоится "_"_ 1994 г.

в__на заседании специализированного совета

ССК - 048.06.04 Центрального Аэрогидродинамического Института (107005 Москва Б-5, ул. Радио, д.17)

С диссертацией можно ознакомиться в Ученом совете Центрального Аэрогидродинамического Института.

■ ^ ■■ Md^fbJj

Автореферат разослан " _ 1994 г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат физико-математических наук

H.H. Острикоь

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТ Ы

Актуальность. В последнее время в изучении турбулентных сдвиговых течений был достигнут значительный прогресс благодаря подходу, основанному на исследовании крупномасштабных вихревых образований, концентрирующих большую часть энергии потока и определяющих динамику всего течения. Эти вихревые образования, получившие в научной литературе специальное название - когерентные структуры, могут играть важную роль в процессах аэродинамической генерации звука, турбулентного перемешивания, отрывного обтекания тел и Т.д.

В дозвуковых турбулентных струях, представляющих собой (¡дин из основных источников шума современных авиационных силовых установок, доминирующими когерентными структурами являются турбулентные вихревые кольца. Однако их роль в механизме генерации шума струи до сих пор не ясна. Основная трудность заключается в том, что в турбулентных струях происходит сильное взаимодействие как между самими когерентными структурами, так и между ними и мелкомасштабной турбулентностью, что приводит к "смазыванию" картины излучения. Поэтому чрезвычайно важной представляется возможность исследования фундаментальных вопросов излучения звука турбулентными потоками на примере изолированного вихревого кольца, что может оказаться эффективным средством понимания аэроакустики более сложных потоков. В свете изложенного задача комплексного исследования акустических и гидродинамических характеристик отдельно взятого вихревого кольца представляется актуальной.

Проведенный ранее теоретический анализ математической модели вихревого кольца в слабосжимаемой (М«1) жидкости показал, что этот объект характеризуется многообразием динамических и акустических проявлений, которые включают в себя существование различных семейств

собственных колебаний ядра вихря, излучение звука на дискретных частотах, характерную направленность излучения, резонансное поглощение звука и т.д. Вместе с тем до настоящего времени не только не проводилось систематического экспериментального изучения этих явлений, но и сам вопрос о возможности излучения звука изолированным турбулентным вихревым кольцом оставался дискуссионным.

Цель работы. Таким образом, первая цель работы - доказать, что реальное вихревое кольцо действительно излучает звук и может использоваться в качестве нового экспериметального объекта аэроакустики. Вторая цель работы - обнаружив сам факт излучения, создать на основе данного вихревого объекта инструмент для изучения физических закономерностей, описывающих процессы генерации звука турбулентными аэродинамическими потоками.

Для реализации первой из поставленных целей необходимо зарегистрировать шум, излучаемый вихревым кольцом, и достоверно выделить его на фоне помех и шума сопутствующих процессов. Решение второй задачи подразумевает создание такой экспериментальной методики, которая позволила бы:

- определять меняющиеся во времени средние характеристики вихревого кольца (поступательную скорость, геометрические размеры, завихренность и т.д.) на значительном участке траектории;

- визуализировать нестационарные динамические процессы в ядре турбулентного вихревого кольца;

- определить объем достоверной акустической информации, которая может быть получена в рамках эксперимента с вихревым кольцом, или, другими словами, определить разрешающую способность данного экспериментального инструмента.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- Впервые обнаружен шум, генерируемый уединенным турбулентным вихревым кольцом. Зарегистрировать шум вихревого кольца и выделить его

на фоне помех удается только в аэроакустической заглушённой камере, используя при анализе усредненные по ансамблю спектры излучения вихря.

- Показано, что шум турбулентного вихревого кольца (начальное число Рейнольдса Яе0 =Г0с/с/г~105, где К0-начальная скорость вихря, б/е-диаметр сопла генератора вихревых колец) имеет узкополосный характер и сосредоточен вблизи безразмерной частоты 5А = /0 »1,3.

- Разработан метод исследования эволюции усредненных спектров звукового давления при движении вихревого кольца. Показано, что медленное изменение во времени средних параметров вихря (поступательной скорости, геометрических размеров, завихренности в ядре) при его движении приводит к смещению характерной частоты излучения в низкочастотную область.

- Предложен новый способ определения закона движения вихревого кольца, основанный на применении датчиков давления и позволяющий оценивать величину поступательной скорости вихря на значительном удалении от генератора одновременно с проведением акустических измерений.

Разработана методика импульсного фотографирования (время экспонирования г8 ~10"с ) и высокоскоростной ( до 15000 кадр/с) кинорегистрации вихревого кольца, которая позволяет .исследовать динамические процессы в ядре вихря, имеющие ту же характерную частоту, что и обнаруженная в акустическом эксперименте (¿71 »1,3).

Научная и практическая значимость. Результаты, полученные в диссертационной работе, показывают, что с помощью вихревого кольца можно ставить тонкие физические эксперименты с целью дальнейшего изучения сложных механизмов генерации звука турбулентностью в сдвиговых потоках. Продемонстрированная в настоящей работе возможность экспериментального определения акустических и гидродинамических характеристик турбулентного вихревого кольца в совокупности с возможностью аналитического описания позволит использовать в будущем

вихревое кольцо в качестве эталонного объекта для проверки основных физических принципов аэроакустики.

Результаты работы могут использоваться также при разработке эффективных методов контроля и управления когерентными структурами в турбулентных течениях для решения практических задач снижения шума реактивных двигателей и предотвращения автоколебаний в аэродинамических трубах с открытой рабочей частью.

На защиту выносится создание нового инструмента изучения механизмов аэродинамической генерации звука турбулентными потоками, опирающегося на тщательное экспериментальное исследование аэроакустических свойств отдельного вихревого кольца. Основу этого инструмента составляют следующие результаты:

- реальное вихревое кольцо при большом числе Рейнольдса излучает звук;

- шум турбулентного вихревого кольца сосредоточен в узкой («300 Гц) полосе частот с максимумом вблизи характерной частоты /0 »1200 Гц;

- при движении вихревого кольца характерная частота излучения смещается в низкочастотную область;

- в ядре вихревого кольца могут поддерживаться регулярные колебания с частотами, близкими к частоте излучения.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на XXVIII научно-технической конференции молодых специалистов ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова (Ленинград, 1989), на IX и X научно-технических конференциях по авиационной акустике (Суздаль, 1989, 1992), I Всесоюзной конференции "Оптические методы исследования потоков" (Новосибирск, 1991), XI Всесоюзной акустической конференции (Москва, 1991), рабочем семинаре Института гидродинамики СО РАН "Акустика неоднородных сред" (Новосибирск, 1992), XIV аэроакустической конференции DGL.il/AIAA (Аахен, Германия, 1992), VI Международном симпозиуме по визуализации потоков (Иокогама, Япония, 1992),

Международной конференции по борьбе с шумом и вибрацией "NOISE-93" (Санкт-Петербург, 1993), научно-технических совещаниях ЦАГИ.

Список работ по теме диссертации приводится в конце автореферата. Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Объем диссертации составляет 105 страниц, включая 41 рисунок , 3 таблицы и список литературы из 96 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, обсуждается

современное состояние проблемы, формулируется цель работы и кратко

излагается ее содержание.

В первой главе приводятся результаты экспериментального

исследования, проведенного в аэроакустической заглушённой камере и

направленного на обнаружение и регистрацию акустического излучения,

генерируемого свободно летящим вихревым кольцом.

В п.1.1 рассматриваются различные способы создания в лабораторных

условиях вихревых колец с большим числом Рейнольдса. Сравнительный

анализ показал, что с точки зрения возможности исследования природы

вихревого звука наиболее простым и удобным способом создания вихревых

колец является использование поршневых генераторов вихрей. В настоящей

работе применяется генератор

(рис.1), при проектировании и

изготовлении которого особое

внимание обращалось на

возможность конструктивного

уменьшения собственного

Рис.1. Схема поршневого генератора

вихревых колец: 1-груз, 2-замок-ловушка, структурного шума установки и

3-алншиниевый поршень, 4-фланец, 5- ,

г > ч- --» демпфирования механических

сопловой насадок; £>п=160мм, с/с = 40 мм,

, „„ вибраций, возникающих в

/„ =60 мм

момент запуска вихревого кольца.

В п.1.2 описываются экспериментальная установка (рис.2) и аппаратура, применяемая для регистрации и анализа акустического излучения, создаваемого движущимся вихревым кольцом. Предварительные

заглушённой камере. Поэтому в дальнейшем применялся комплекс современной высокочувствительной .регистрирующей и анализирующей аппаратуры фирмы "Брюль и Къер" (В&К).

В п.1.3 приводится методика эксперимента, позволившего впервые зарегистрировать слабый акустический сигнал, генерируемый уединенным вихревым кольцом, и выделить его на фоне помех и структурного шума установки.

Вихревые кольца создавались в акустической заглушённой камере (10x5x4 м3) при помощи поршневого генератора вихрей с диаметром сопла см и имели начальную скорость У0 ~ 37 м/с (соответствующее число Рейнольдса Яе V« 105). Запуск измерительной системы осуществлялся

в момент образования вихревого кольца сигналом с опорного микрофона А (В&К 4136), установленного вблизи кромки сопла (см. рис.2). Наличие синхронизирующего импульса, дающего начало отсчета времени, позволяет при анализе накапливать и усреднять по ансамблю спектры излучения вихря на различных участках траектории при условии идентичности вихревых колец, попадающих в усредняемый ансамбль. Акустические измерения в дальнем поле вихревого кольца проводились с помощью

пуски вихревых колец, в которых

показали, что шум создаваемых генератором вихрей имеет низкий уровень громкости, близкий к порогу слышимости человека, и различим только в акустической

Рис.2. Схема экспериментальной установки в акустической заглушённой камере

полудюймового конденсаторного микрофона Б (В&К 4165). Микрофон предварительно калибровался пистонфоном В&К 4022 с целью определения уровня звукового давления. Сигналы с каждого микрофона подавались на двухканальный БПФ-процессор В&К 2032, с помощью- которого определялись мгновенные значения звукового давления и строились спектры излучения на различных участках траектории.

Шум вихревого кольца удалось выделить на фоне помех, используя усредненные по ансамблю спектры звукового давления. Для спектрального анализа использовались временные реализации длительностью 125 мс, задержанные от момента запуска вихревого кольца на фиксированное время г; разрешение по частоте составляло Д / = 8Гц. На рис.3 представлены усредненные по 40 реализациям спектры шума вихревого кольца и фонового шума. Спектр фонового шума определялся в серии экспериментов, когда вихревые кольца в самом начале траектории попадали в специальный р поглотитель, прозрачный для

акустических волн. Сравнение представленных на рис.3 спектров показывает, что шум вихревого кольца проявляется £ рц в заметном подъеме спектра в 400 1440 7000 широкой полосе частот (от 400

до 2500 Гц) с максимумом

Рис.3. Усредненные спектры звукового

давления: 1-е кольцом; 2-без кольца. Время А А ~ 10 дБ вблизи частоты задержки от момента запуска-г50мс у я 1400 Гц.

Таким образом, удалось экспериментально доказать, что реальное вихревое кольцо действительно излучает звук и может использоваться в качестве нового экспериментального объекта аэроакустики. Однако, чтобы создать на основе обнаруженного в эксперименте явления инструмент для изучения физических закономерностей, описывающих процессы генерации звука турбулентными аэродинамическими потоками, необходимо

1С

определить, какая информация может, а какая не может быть достоверно получена в рамках эксперимента с вихревым кольцом.

В главе 2 определяются геометрические и средние динамические параметры вихревых колец, значения которых необходимо знать при проведении акустического эксперимента.

В п.2.1 проводится исследование по визуализации процесса образования вихревого кольца, выполненное прямым теневым методом [Холдер Д., Норт Р., 1966]. Получены фотографии различных фаз процесса формирования вихревого кольца, демонстрирующие, в частности, потерю устойчивости цилиндрического сдвигового слоя (неустойчивость Кельвина-Гельмгольца), сворачивание возмущенного сдвигового слоя в спираль, постепенное сглаживание возмущений внутри образовавшегося ядра вихря за счет молекулярной вязкости. Эти фотографии позволяют измерить начальные геометрические размеры (начальный радиус кольца радиус ядра а0) и сделать качественные выводы о структуре завихренности в ядре вихря. В таблице 1 приводятся начальные размеры вихревых колец в зависимости от диаметра сопла с/с генератора вихрей. Максимальное значение нормированной среднеквадратичной ошибки составляет 3%.

Таблица 1.

4 5 6 7

Ц, =2 V* 1,32 1,28 1,23 1,17

П0 =2а„А4 0,23 0,19 0,13 0,09

М» =а„/Д0 0,17 0,15 0,11 0,08

В п.2.2 предлагается новый метод определения закона движения и поступательной скорости вихревых колец, основанный на регистрации пика разряжения в ядре вихря с помощью датчиков давления, расположенных вдоль траектории движения. Показано, что поступательная скорость вихревых колец с начальным числом Рейнольдса Яе0 «105 на значительном участке траектории (до 100 калибров от среза сопла генератора)

аппроксимируется зависимостью

V ~Гг/3 ~ х~2 (рис.4). На графике представлена также кривая

V ~ (/ - /0) 5,4 ~ (х - хв) 3, рассчитанная по автомодельной теории [Луговцов В.А., 1977], [Glezer A., Coles D., 1990] , где х0-эмпирические постоянные.

В_главе_3 методами

импульсного фотографирования и скоростной киносъемки исследуются нестационарные динамические процессы в ядре турбулентного вихревого кольца. Используется комплекс аппаратуры, применяемой в ЦАГИ при проведении оптико-физических исследований аэродинамических потоков:

- импульсные источники белого света "Импульс-1" и "Энергия-1" (длительность светового импульса 10 мкс и 3 мс соответственно); импульсный рубиновый лазер ОГМ-20 (длина волны - 693,4 нм, энергия импульса - 0,-1 Дж, длительность импульса - 30 не);

- промышленные высокоскоростные кинокамеры "Pentazet-35" и СК-2 (скорость съемки до 2000 кадр/с и до 20 000 кадр/с соответственно);

- зеркальный интерферометр сдвига ИТ-228;

- система цифровой обработки изображений РС2001 "Pericolor".

В п.3.1 описывается методика импульсного фотографирования турбулентного вихревого кольца. Основное внимание здесь уделяется вопросам отработки системы синхронизации, выбора источников света, подачи визуализирующих добавок в вихревое кольцо, подбора фотоматериала и т.д.

Особенности поля течения, связанные с наличием резкой границы между ламинарным ядром и турбулентной "атмосферой", а также с переходом жидких частиц из "атмосферы" в след, потребовали разработки адекватных способов визуализации, эффективных на различных участках

Рис.4. Поступательная скорость вихревого кольца: 1 -аппроксимация экспериментальных данных по методу наименьших квадратов; ^-автомодельная теория

траектории. Применяются два способа визуализации: дымовая визуализация в отраженном свете и визуализация добавками гелия в проходящем свете через интерферометр сдвига. Получены фотографии, демонстрирующие различные формы возмущений границы ядра вихревого кольца.

В п.3.2 излагаются результаты высокоскоростной (до 15 ООО кадр/с) киносъемки турбулентного вихревого кольца, выполненной при помощи

кинорегистрирующей установки барабанного типа СК-2. Полученные в ходе эксперимента кинограммы движения вихревого кольца указывают на возможность существования различных типов регулярных колебаний ядра вихря и позволяют оценить частоты некоторых из них. На рис.5 представлена часть кинограммы, демонстрирующей вращение малых эллиптических деформаций сечения ядра ( так называемые кельвиновские моды) с частотой, близкой к характерной частоте акустического излучения вихря.

В п.3.3 описывается процедура цифровой обработки кинонегатива, позволяющая увидеть колебания ядра вихря в динамике. Конструктивные особенности скоростной кинокамеры СК-2 не позволяют просматривать киноматериал, используя традиционные кинопроекционные аппараты. Поэтому с помощью имеющейся в ЦАГИ системы цифровой обработки изображений РС2001 "Репсо1ог" был разработан способ покадровой обработки негатива и

Рис.5. Кинограмма движения вихревого создания компьютерного фильма, кольца (дымовая визуализация).

Скорость с-ьемки 10000 кадр/с дающего представление о динамике

высокочастотных процессов в ядре турбулентного вихревого кольца. Исследование средних динамических параметров вихревого кольца, проведенное в гл.2, показало, что они заметно меняются вдоль траектории

движения. Поэтому усредненные спектры шума вихревого кольца, полученные в п.1.3 и представленные на рис.3 являются довольно грубой оценкой, так как построены для реализаций акустического сигнала длиной 125 мс, за время которых свойства кольца могут существенно измениться. Результаты более подробного анализа спектров излучения вихревого кольца на различных участках траектории и определения оптимальных параметров обработки сигнала, минимизирующих влияние нестационарности,

Это удается сделать при помощи записи данных акустического эксперимента на многоканальный магнитофон SONY KS-616 (п.4.1).

Использование магнитофонной

Рис.6. Схема многоканальной регистрации записи ПОЗВОЛяет провести акустических и гидродинамических

параметров вихревого кольца предварительное редактирование

данных и исключить из усредняемого ансамбля аномальные и искаженные сигналы. Одновременно с акустическим сигналом на магнитофон записывались сигналы с микрофонов N1-N5 (рис. 6), фиксирующих положение и скорость вихревого кольца в каждой реализации, что позволило дополнительно улучшить статистические свойства усредняемого ансамбля. Для уменьшения влияния нестационарности, обусловленной эволюцией средних параметров вихревого кольца, при спектральном анализе использовались временные отрезки минимально возможной для данного типа БПФ-процессоров длины в 31,3 мс..

На рис.7 представлен спектр шума вихревого кольца, усредненный по ансамблю из 20 реализаций.

приводятся в главе 4.

Рис.7. Усредненный спектр звукового

давления, время

задержки г = 220мс: ас кольцом; б-без кольца

1120 Гц

1056 Гц

1134 Гц

864 Гц

Сравнение с рис.3 показывает, что улучшение статистических свойств усредняемых реализаций и уменьшение влияния нестационарности среднего течения приводят к значительному сужению частотного диапазона, соответствующего шуму вихря. Акустическое излучение вихревого кольца оказалось сосредоточенным в достаточно узкой (»300 Гц) полосе частот с максимумом вблизи частоты /„«1200 Гц. t.

В п. 4.2 исследуется эволюция усредненного спектра звукового давления при движении вихревого кольца. Магнитофонная запись позволяет получить усредненные спектры звукового давления для одной и той же совокупности реализаций, но с различных участков траектории, вводя разное время задержки от момента запуска при анализе сигнала (рис.8).

Оказалось что, характерная частота пика в спектре излучения смещается в низкочастотную область по мере движения вихревого кольца вниз по потоку. Из рис.8 следует, что за время, равное длине реализации, частота сигнала изменяется на величину А &> лбОГц. Очевидно, не имеет смысла брать при спектральном анализе ширину полосы пропускания существенно меньшую, чем

см и г а в i кг,. неопределенность в частоте А со. Поэтому

Рис.8. Эволюция усрсдисн.юго |

спектра излучения при движении используемые в работе параметры

вихревого кольца. Время задержки; ( а реализации Г=31,3мс.

1-220 мс, 2-250 мс, 3-280 мс, 4-370 мс v«- г-

разрешение по частоте Af =32 Гц, ширина спектра В =25,6 кГц) близки к оптимальным.

В п. 4.3 проведено для примера сравнение характерной частоты в спектре излучения реального вихревого кольца (см. рис.6) с теоретически предсказанными собственными частотами различных семейств колебаний ядра вихря. Используя результаты визуализации и акустического

эксперимента, а также измерения поступательной скорости, удалось показать, что наиболее вероятными звукообразующими пульсациями могут быть только быстрые (кельвиновские) моды.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы диссертации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Проведено комплексное исследование гидродинамических и акустических свойств локализованного вихревого течения - турбулентного вихревого кольца, позволившее выделить эту вихревую структуру в качестве нового экспериментального объекта аэроакустики.

2. На основе разработанной экспериментальной методики впервые зарегистрирован шум, генерируемый уединенным вихревым кольцом.

3. Анализ спектров зарегистрированного в дальнем поле акустического сигнала показал, что шум турбулентного вихревого кольца (начальное число Рейнольдса Ле®105) имеет узкополосный характер и

сосредоточен вблизи характерной частоты ЯИ «1,3.

У,

4. Разработан метод исследования эволюции усредненного спектра звукового давления при движении вихревого кольца и обнаружено смещение характерной частоты излучения в низкочастотную область.

5. Предложен новый способ определения закона движения и поступательной скорости вихревого кольца, основанный на использовании датчиков давления и позволяющий измерять данные параметры одновременно с акустическим экспериментом.

6. Разработана методика фото- и кинорегистрации высокочастотных (до 2 кГц) динамических процессов в ядре вихревого кольца. С помощью созданной методики экспериментально подтверждено существование периодических колебаний ядра вихревого кольца.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Зайцев М.Ю., Копъев В.Ф., Мунин А.Г., Пстгокин A.A. Экспериментальное исследование шума турбулентного вихревого кольца- В сб.: Тезисы докладов IX научно-технической конференции по авиационной акустике. М.: Изд. отд. ЦАГИ, 1989, с.203-206.

2. Зайцев М.Ю., Копъев В.Ф., Мунин А.Г., Потокин A.A. Излучение звука турбулентным вихревым кольцом.- Докл. АН СССР, 1990, т.312, N.5, с.1080-1083.

3. Копъев В.Ф., Зайцев М.Ю., Рыбаков В.И. и др. Методика и техника визуализации и фото-кинорегистрации нестационарных процессов в ядре турбулентного вихревого кольца.- Изв. СО РАН, Сибирский физико-технический журнал, 1992, вып.2, с.52-56.

4. Kopiev V.F., Zaitsev M.Yu., Yakovlev V.A., Guriashkin L.P. Visualization of the turbulent vortex ring oscillations.- Flow Visualization VI, Proc. Vl-th International Symposium on Flow Visualization, Springer, Berlin, 1992, pp.191-196.

5. Зайцев М.Ю., Копъев В.Ф. Исследование структуры узкополосного сигнала в шуме вихревого кольца- В сб.: Акустика неоднородных сред, Новосибирск, 1992, вып.5, с.167-170.

6. Зайцев М.Ю., Копъев В.Ф. О механизме излучения звука турбулентным вихревым кольцом.- Акуст. журн., 1993, т,39, N6, с.1068-1075.

Автореферат диссертации, 1994, I-I6

Подписано в печать 24.10.94 г. Формат бумаги 60 х 90 1/16. Бумага офсетная $ I. Печать офсетная. Бутл, л. 0,5. Усл. печ. л. I. Уч.-изд. л. 1,4. Тираж 80 экз.

Издательский отдел ЦАГИ. Заказ Р-3906