автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.13, диссертация на тему:Когерентные структуры в турбулентных струях и их связь с акустическими характеристиками струн

а

/

ЦЕНТРАЛЬНЫЙ АЭРОГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ имени профессора Н.Е.Жуковского

НА ПРАВАХ РУКОПИСИ

Макаренко Татьяна Михайловна

УДК 534.874.2

Когерентные структуры в турбулентных струях и их связь с акустическими характеристиками струи

05.07.13 -АКУСТИКА ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: доктор технических наук Власов Е В.

Москва - 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ......................................................................-...................................4

ГЛАВА 1. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ КОГЕРЕНТНЫХ СТРУКТУР......16

1.1. ПРЯМЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ КОГЕРЕНТНЫХ СТРУКТУР...............................16

1.1.1. ВИЗУАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ..................................................................................16

1.1.2. ТЕРМОАНЕМОМЕТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ И ИЗМЕРЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ МИКРОФОНОВ....................................................................................................18

1.1.3. МЕТОД УСЛОВНЫХ ВЫБОРОК.....................................................................................21

1.2. КОСВЕННЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ КОГЕРЕНТНЫХ СТРУКТУР.......................22

1.3. СВЯЗЬ КОГЕРЕНТНЫХ СТРУКТУР С ШУМОМ СТРУИ....................................................25

ГЛАВА 2. ВИЗУАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КОГЕРЕНТНЫХ

СТРУКТУР В ДОЗВУКОВЫХ ТУРБУЛЕНТНЫХ СТРУЯХ.........................30

2.1. ТЕНЕВАЯ ФОТОСЪЕМКА.....................................................................................................30

2.2. ВИЗУАЛИЗАЦИЯ СТРУИ ПОМОЩЬЮ СДВИГОВОГО ИНТЕРФЕРОМЕТРА.................31

2.2.1. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ.......................................................................................31

2.2.2. УСТАНОВКА И АППАРАТУРА.......................................................................................32

2.2.3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ...............................................................................33

2 .3. ВЫСОКОСКОРОСТНАЯ КИНОСЪЕМКА............................................................................34

2.3.1. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ И АППАРАТУРА........................................................35

2.3.2. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ....................................................................................36

2.4. ИССЛЕДОВАНИЯ КОГЕРЕНТНЫХ СТРУКТУР С ПОМОЩЬЮ ЛАЗЕРНОГО

НОЖА..............................................................................................................................................37

ГЛАВА 3. ВЛИЯНИЕ АКУСТИЧЕСКОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ТУРБУЛЕНТНОЙ СТРУИ И КОГЕРЕНТНЫЕ СТРУКТУРЫ.....................................................................................................39

3.1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА. ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ АППАРАТУРА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА....................................................................................................40

3.2. УСИЛЕНИЕ И ПОДАВЛЕНИЕ ТУРБУЛЕНТНОСТИ СТРУИ ПРИ НАЧАЛЬНОМ ЛАМИНАРНОМ И ТУРБУЛЕНТНОМ ПОГРАНИЧНЫХ СЛОЯХ.............................................42

3.3. ВЛИЯНИЕ ПОПЕРЕЧНОГО АКУСТИЧЕСКОГО ОБЛУЧЕНИЯ НА ДЕФОРМАЦИЮ СЕЧЕНИЙ КРУГЛОЙ СТРУИ......................................................................................................45

3.4. СПЕКТРАЛЬНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ ПУЛЬСАЦИЙ СКОРОСТИ..............................................46

3.5. АЗИМУТАЛЬНАЯ КОРРЕЛЯЦИЯ ПУЛЬСАЦИЙ СКОРОСТИ............................................47

ГЛАВА 4. СВЯЗЬ КОГЕРЕНТНЫХ СТРУКТУР С АКУСТИЧЕСКИМИ

ХАРАКТЕРИСТИКАМИ СТРУИ....................................................................50

4.1. ЧАСТОТНО-АМПЛИТУДНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПУЛЬСАЦИЙ ДАВЛЕНИЯ В БЛИЖНЕМ ПОЛЕ СТРУИ..............................................................................................................50

4.1.1. СПЕКТРАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПУЛЬСАЦИЙ ДАВЛЕНИЯ В БЛИЖНЕМ ПОЛЕ СТРУИ И ИХ СВЯЗЬ С КОГЕРЕНТНЫМИ СТРУКТУРАМИ.................50

4.1.2. О ПОЛОЖЕНИИ ИСТОЧНИКОВ ШУМА В СТРУЕ.......................................................51

4.2. ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛЯ ПУЛЬСАЦИЙ ДАВЛЕНИЯ.....................................................................................................................................53

4.2.1. ВЫБОР СИСТЕМЫ ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ ЗАДАЧИ РАСЧЕТА КОРРЕЛЯЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПУЛЬСАЦИЙ ДАВЛЕНИЯ...............53

4.2.2. МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ И АППАРАТУРА.................................................................55

4.2.3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ............................................................................................56

4.3. ИССЛЕДОВАНИЕ СВЯЗИ ПУЛЬСАЦИЙ СКОРОСТИ И ДАВЛЕНИЯ В СТРУЕ С ПУЛЬСАЦИЯИИ ДАВЛЕНИЯ В БЛИЖНЕМ ПОЛЕ СТРУИ.....................................................59

4.3.1. КОРРЕЛЯЦИЯ МЕЖДУ ПУЛЬСАЦИЯМИ ДАВЛЕНИЯ В СТРУЕ И В БЛИЖНЕМ ПОЛЕ СТРУИ..........................................................................................................60

4.3.2. КОРРЕЛЯЦИЯ МЕЖДУ ПУЛЬСАЦИЯМИ СКОРОСТИ В СТРУЕ И ПУЛЬСАЦИЯМИ ДАВЛЕНИЯ ВНЕ СТРУИ.............................................................................61

4.4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КОГЕРЕНТНЫХ СТРУКТУР НА

ХАРАКТЕРИСТИКИ БЛИЖНЕГО ПОЛЯ СТРУИ.......................................................................62

4.5. РОЛЬ КОГЕРЕНТЫХ СТРУКТУР В ФОРМИРОВАНИИ ДИАГРАММЫ НАПРАВЛЕННОСТИ ИЗЛУЧАЕМОГО ДОЗВУКОВОЙ СТРУЕЙ ШУМА В ЕЕ ДАЛЬНЕМ АКУСТИЧЕСКОМ ПОЛЕ...........................................................................................64

ВЫВОДЫ...........................................................................................................66

ЛИТЕРАТУРА...................................................................................................68

ВВЕДЕНИЕ

Развитие авиационного транспорта вызвало резкое возрастание шума, создаваемого самолетами. Увеличение вместимости самолетов и интенсивности их эксплуатации привело к росту тяги двигателей, установленных на самолетах, и увеличению числа взлетов и посадок в аэропортах. В результате этого возросла зашумленность местности в зонах размещения аэропортов. Проблема снижения шума самолетов на местности является одной из важнейших экологических задач. Не менее серьезной задачей является снижение шума в кабине и салоне самолета. Основными отрицательными факторами воздействия шума на пассажиров и членов экипажа являются его раздражающее и утомляющее действие. Кроме того, для членов экипажа, работающих в условиях сильного шума, имеется опасность повреждения слуха. Таким образом, снижение шума самолетов является важной задачей авиационной промышленности.

Еще одной проблемой современной авиации является обеспечение акустической прочности летательных аппаратов. Акустические нагрузки, воздействующие на конструкции самолета, достигают значительных величин и вызывают в некоторых случаях усталостное разрушение этих конструкций. Поэтому необходимо проводить исследования таких нагрузок и разработку методов их расчетного определения.

Одним из основных источников шума самолета и акустических нагрузок на поверхности самолета является реактивная струя (особенно истекающая из двигателя с малой степенью двухконтурности), поэтому снижение шума самолета во многом может быть обеспечено за счет снижения шума струи. Решение этой задачи, а также вопросов, связанных с акустической прочностью конструкций и звукоизоляцией пассажирского

салона и кабин, возможно только на основе подробной информации о местоположении и взаимодействии источников акустического излучения струи. При этом приобретает особо важное значение проведение комплексных расчетно-экспериментальных исследований физической картины течения потока на выходе из сопла, ближнего звукового поля струи с учетом пространственно- временных характеристик, механизмов излучения звука и способов влияния на эти механизмы с целью снижения шума струи.

Неслучайно в последнее время появился ряд работ, в которых развивается теория Лайтхилла и выдвигаются новые концепции механизма шумообразования в струе. Одним из направлений исследований является изучение роли крупномасштабных структур в формировании акустических характеристик струи. Также исследуются методы активного воздействия на характеристики струи для того, чтобы добиться снижения шума в ближнем и дальнем полях струи. В этой связи представляет интерес исследование влияния акустических возмущений на аэроакустические характеристики турбулентных струй. Важность и перспективность таких работ следует из анализа литературы, представленного ниже.

В настоящее время произошли существенные изменения в понимании природы турбулентности в сдвиговых течениях. Это связано с обнаружением в этих течениях крупномасштабных вихревых образований, которые получили в научной литературе специальное название - когерентные структуры [1]. Впервые они были описаны в 1963 году Молле-Кристенсеном [2]. Результаты, полученные им, основывались на измерениях, которые проводились с помощью микрофонов, располагаемых вблизи струи, сразу же за границами потока. В работе [3] получено дальнейшее подтверждение существования почти периодических квазидетерминированных структур, при этом микрофоны с обтекателями помещались в потенциальном ядре дозвуковой струи. Эти структуры развиваются на фоне мелкомасштабной турбулентности и определяют существенную часть рейнольдсовых

напряжений. Они имеют размеры порядка поперечного размера слоя смешения и характеризуются довольно большим временем существования.

Их изучение находится в центре внимания экспериментаторов и теоретиков, например [4-10].

Когерентные структуры играют важную роль в процессах аэродинамической генерации звука, турбулентного перемешивания, отрывного обтекания тел и т.д. Зная вклад этих структур в генерацию шума, можно оценить возможности снижения шума воздействием на эти структуры. Другим направлением является исследование методов активного воздействия на характеристики струи для возможного снижения шума в ближнем и дальнем полях. В этой связи представляет интерес изучение влияния акустических возмущений на аэроакустические характеристики турбулентных струй.

Таким образом, целью настоящей работы является проведение комплексного исследования когерентных структур. Наглядно показав существование когерентных структур в струе и влияние на них высокочастотного и низкочастотного облучения, подтвердить их связь с ближним полем струи и определить их влияние на пространственно-временные характеристики струи. Знание закономерностей развития этих структур необходимо для разработки методов управления аэродинамическими и акустическими характеристиками турбулентных струй, а также для правильного расчета акустических характеристик струй.

Результаты работы могут использоваться при разработке эффективных методов контроля и управления когерентными структурами в турбулентных течениях для решения практических задач снижения шума реактивных струй авиационных двигателей, который превышает расчетные значения на 6-8 дБ вследствии того, что внутренние источники шума (компрессор, турбина, камера сгорания) возбуждают струю, что приводит к росту широкополосного шума.

Исследования корреляционных характеристик ближнего поля струи могут быть использованы при расчете акустических нагрузок на поверхности самолета и звукоизоляции в салоне самолета.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Объем диссертации составляет 192 страницы, включая 114 рисунков и список работы из 115 наименований.

Во введении обосновывается актуальность темы, формулируется цель раб оты и кратко излагается ее содержание.

В первой главе обсуждается современное состояние проблемы. Здесь дается обзор работ по изучению когерентных структур в струйных течениях. Рассмотрены методы исследования когерентных структур и приводятся экспериментальные данные, показывающие связь когерентных структур с шумом струи.

В п. 1.1. рассмотрены прямые методы исследования когерентных структур. Показано, что с помощью визуальных методов можно наглядно изучать развитие когерентных структур, их образование, деформацию и разрушение. Вместе с тем отмечается некоторая субъективность интерпретации полученных результатов. Термоанемометрические измерения и измерения с помощью микрофонов позволили установить места образований, слияний и разрушений когерентных структур, их конвективную скорость.

В п. 1.2. рассматриваются косвенные методы исследований когерентных структур, которые сводятся к слабому периодическому возбуждению струи и определению ее реакции на возбуждения различной частоты. Показано, что чувствительность турбулентной струи к воздействию звука обусловлена наличием в их начальном участке квазипериодических когерентных структур и генерацией воздействующим звуком вихревых возмущений на кромке сопла. Отмечен двоякий характер влияния акустических возмущений на турбулентную струю. Показано, что при

значительном усилении или ослаблении когерентных структур в дозвуковых струях при периодическом возбуждении имеет место соответствующее изменение аэродинамических характеристик струи, что позволяет управлять аэродинамическими характеристиками струй.

В п. 13. приводятся экспериментальные данные, показывающие связь когерентных структур с шумом струи. Отмечается, что до настоящего времени не было проведено комплексное исследование основных параметров когерентных структур при одних и тех же начальных условиях истечения турбулентной струи. Ряд вопросов, связанных с когерентными структурами, остается открытым. Показана необходимость дальнейшего экспериментального исследования крупномасштабных структур.

Во второй главе представлены оригинальные результаты визуальных исследований когерентных структур с помощью теневой фотосъемки, сдвигового интерферометра, высокоскоростной киносъемки и лазерного ножа. Подтверждено существование крупномасштабных вихревых образований в струе и определена их форма. Используется комплекс аппаратуры, применяемой в ЦАГИ при проведении оптико-физических исследований аэродинамических потоков:

- импульсный источник белого света "Свет 2М" (длительность светового импульса 3 мкс, энергия вспышки - 4.6 Дж), импульсный рубиновый лазер ОГМ-20 (длина волны - 693.4 нм. энергия импульса -0.1 Дж, длительность импульса - 30 не);

- промышленная высокоскоростная кинокамера "Реп!аге1-35" (скорость съемки 2000 кадр/с);

- зеркальный интерферометр сдвига ИТ-228.

В п.2.1. представлены результаты визуализации струи прямым теневым методом. Для улучшения условий визуализации турбулентная струя подогревалась. Получены фотографии, на которых видны упорядоченные структуры на протяжении семи калибров струи, начиная с расстояния

приблизительно в полтора калибра. Вблизи кромки сопла появляются волны неустойчивости, постепенно развивающиеся в вихри, границы которых отчетливо видны на фотографиях.

В п. 2.2. приводятся результаты визуализации струи с помощью интерферометра сдвига. Рассмотрено влияние периодического акустического возбуждения на вид когерентных структур при числах Струхаля воздействия = 0.125-2.5. Возбуждение осуществлялось с помощью двух динамиков, симметрично расположенных относительно оси. Эксперименты проводились при трех режимах работы динамиков:

1) электрический сигнал подавался на один (верхний) динамик;

2) электрические сигналы подавались в фазе на оба динамика, \|/=0°;

3) электрические сигналы подавались в противофазе на оба динамика , \р=180°.

Получены фотографии, на которых отчетливо просматривается внутренняя структура струи.

В п. 2.3. излагаются результаты высокоскоростной киносъемки турбулентной струи. Фильм, в котором наглядно демонстрируется образование, развитие и разрушение когерентных структур, является приложением к настоящей работе. Скоростная киносъемка позволила получить количественные характеристики структур: толщину вихря и его конвективную скорость.

Исследования когерентных структур с помощью лазерного ножа представлены в п.2.4. Для его работы в форкамеру установки добавлялись частицы жидкого азота. На фотографиях отчетливо видны зоны завихренности, сечения вихревых колец. Получено, что вихревое кольцо представляет собой переплетенный из вихревых нитей жгут в форме тора. Показана перспективность этого способа исследований когерентных структур.

В третьей главе рассмотрено влияние акустического возбуждения на характеристики турбулентной струи и когерентные структуры. Проведены термоанемометрические исследования этих структур. Получены данные, иллюстрирующие связь когерентных структур с чувствительностью турбулентного слоя к периодическому возбуждению. Обнаружено явление деформации сечения струи при поперечном акустическом возбуждении.

В п.3.1. описывается экспериментальная установка и аппаратура, применяемая при проведении экспериментов.

В п.3.2. рассмотрен вопрос об усилении и подавлении турбулентности струи при начальном ламинарном и турбулентном пограничных слоях. Приведены результаты эксперимента, иллюстрирующие влияние частоты и уровня воздействующего звука, а также скорости истечения струи на эффекты интенсификации и ослабления турбулентного перемешивания в струе. Получено, что ослабление перемешивания в струе при ее высокочастотном акустическом облучении реализуется независимо от режима течения в пограничном слое в выходном сечении сопла при достаточной интенсивности акустического возбуждения.

В п. 3.3, исследовано влияние поперечного акустического облучения на деформацию сечений круглой струи. Измерения профилей средней скорости и интенсивности продольных пульсаций скорости в плоскости YOZ показали, что поперечное акустическое облучение приводит к деформации сечения струи: вместо круглого оно становится овальным, причем большая ось направлена вдоль облучения. Степень деформации зависит от уровня �