АКУСТИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2008, том 54, < 3, с. 451-458
АТМОСФЕРНАЯ И ВОЗДУШНАЯ АКУСТИКА
УДК 532.522.2;534.83
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ УСЛОВИЙ ИСТЕЧЕНИЯ НА АКУСТОМЕХАНИЧЕСКИЙ КПД ТУРБУЛЕНТНОЙ СТРУИ
© 2008 г. С. Ю. Крашенинников, А. К. Миронов
ФГУП "Центральный институт авиационного моторостроения им. П.И. Баранова" (ЦИАМ)
111116 Москва, ул. Авиамоторная 2 E-mail: akomir@mail.ru Поступила в редакцию 24.07.07 г.
Акустомеханический кпд турбулентной струи определяется как отношение мощности акустического излучения и потока кинетической энергии струи. Согласно акустической аналогии Лайтхилла, акустомеханический кпд осесимметричных струй пропорционален числу Маха в пятой степени. В настоящей работе на основе результатов экспериментальных испытаний и анализа известных данных исследовано влияние различных факторов, которые могут повлиять на структуру струи, и, следовательно, на акустомеханический кпд. В том числе проанализировано влияние впрыска воды на снижение шума струи. Результаты анализа экспериментальных данных показали, что систематическое отклонение от связи акустической и механической энергий струй, полученной из акустической аналогии Лайтхилла, возникает при истечении низкоскоростных струй малой плотности и при создании продольной завихренности в потоке.
PACS: 43.28.Ra
ВВЕДЕНИЕ
В соответствии с теорией Лайтхилла [1] полная акустическая мощность турбулентной изотермической струи Еа (интеграл от интенсивности акустического излучения по сфере) пропорциональна потоку механической энергии Е) и М5: Еа = РЕМ5, где Е] = риГ М = и/а 0, и - скорость струи, р - плотность газа струи, а0 - скорость звука в окружающем пространстве, Г - площадь сечения выхода сопла. Коэффициент пропорциональности в является практически константой до М < 2 для осесимметричных струй с равномерными полями скорости и температуры на выходе сопла. В этом случае акустомеханический кпд струи в качестве первого приближения может быть выражен формулой: п = Еа/Е^ = вМ5.
На рис. 1 приведена зависимость величины акустомеханического кпд от числа Маха из работ [2-6]. Видно, что в диапазоне чисел Маха 0.5-2 акустомеханический кпд пропорционален М5, однако коэффициенты пропорциональности в, полученные разными авторами, имеют различное значение. Это отличие может достигать величины 50%. Следует отметить, что данные [2-6] были получены на разных моделях и экспериментальных установках. При этом отличаются как масштабы моделей и начальные условия истечения (профилировка сопел, начальная турбулентность, толщина пограничных слоев на срезе сопла), так и условия проведения экспериментов (за-
глушенные акустические камеры или открытые акустические стенды).
При обработке и анализе экспериментальных данных в настоящей работе делалось предположение, что при учете влияния начальных условий истечения на механическую и акустическую энергии струи коэффициент пропорциональности в будет практически постоянным для различных видов струй. (Это облегчило анализ и представление полученных данных.)
П х 105
Рис. 1. Акустомеханический кпд осесимметричных струй. 1 - [2, 3], 2 - [4], 3 - [5], 4 - [6], 5 - n ~ M5.
451
8*
В работе на основе специально поставленных экспериментов и известных данных было проанализировано влияние различных факторов, которые могут изменить структуру струи и соответственно ее акустомеханический кпд (п). Исследовано влияние начальных пограничных слоев и подогрева струи. Рассмотрены соосные двухкон-турные струи с различными начальными распределениями скоростей и температур. Также проанализировано влияние впрыска воды на снижение шума струи и ее акустомеханический кпд. Результаты анализа экспериментальных данных показали, что в большинстве случаев связь акустической мощности и потока механической энергии струи, полученной из акустической аналогии Лайтхилла, сохраняется. Значительные отклонения от этой связи наблюдаются при истечении низкоскоростных струй малой плотности и при специальном воздействии на струю, когда в ее источнике в потоке формируется продольная завихренность.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ УСТАНОВОК
Эксперименты по исследованию влияния начального пограничного слоя и плотности струи проводились в безэховой камере (АКМ) размерами 2 х 2 х 3м. Стенки камеры были изготовлены из винипора, в камере имелись газоотводящие лабиринты. Собственные шумы камеры в частотном диапазоне 20-20000 Гц составляют ~51 дБ. Максимальная неравномерность акустического поля в рабочем объеме размерами 1 х 1 х 1 м, в котором производились измерения, составляла не более 1 дБ. Использовались сопловые насадки диаметром 15 мм. 1/2-дюймовый микрофон фирмы Robotron (Германия) передвигался по дуге радиусом 0.45 м. Частотный диапазон аппаратуры составлял 20-40000 Гц.
Исследования соосных струй, многолепестковых, многотрубчатых насадков и шевронных сопел были проведены на открытом акустическом стенде Ц17-А4. На стенде предусмотрена возможность исследования как двухконтурных, так и одноконтурных струй. Схема установки позволяла независимо изменять полное давление и температуру по обоим контурам. Нагрев воздуха осуществлялся при помощи пламенных подогревателей. Модели (характерный диаметр сопла наружного контура - 0.1 м) располагаются на высоте 3 м от поверхности земли. Покрытие поверхности - асфальт. Условия свободного поля соблюдаются до расстояния 10 м от выхода сопел. Микрофоны располагались на расстоянии 6 м от среза модели. Использованы 1/4-дюймовые конденсаторные микрофоны (40BF) фирмы GRASS (Дания) с усилителем 12АА. Регистрация сигналов проводилась с использованием аналого-циф-
рового преобразователя (500 кГц) и последующей компьютерной обработки. Результатами испытаний были: диаграммы направленности шума струи (зависимости общего уровня звукового давления (OASPL) от угла наблюдения (ф)), узкополосные и 1/3-октавные спектры излучения под каждым углом ф.
Влияние впрыска воды на акустические характеристики струй исследовался на специальной двухконтурной установке ЦИАМ. Нагрев воздуха осуществлялся при помощи электрических подогревателей. Основным режимом, на котором проводились измерения, был NPR1 = 1.56, NPR2 = = 1.76, T1 = 520°C, T2 = 65°C, где индекс 1 соответствует горячему потоку внутреннего контура, 2 -наружному контуру, NPR - перепад давления в сопле, T - температура струи. При этих параметрах отношение расходов равнялось 5. Исследования проводились на мелкомасштабных моделях с центральным телом, эквивалентный (по площади) диаметр одноконтурного сопла составлял 23 мм. Для акустических измерений применялась аппаратура фирмы GRASS с 1/4-дюймовым конденсаторным микрофоном. Использовались аналого-цифровое преобразование и компьютерная обработка. На частотах выше 40 кГц производилась корректировка полученных спектров в соответствии с частотной характеристикой микрофона, приведенной в его паспорте. Измерения проводились на расстоянии 0.60 м от среза сопла внутреннего контура. Следует отметить, что стенд, на котором были установлены модели, не предназначен для акустических измерений. Тем не менее, после облицовки отражающих поверхностей поролоном для азимутальных углов б = 30°-90° в процессе предварительных измерений удалось найти меридиональные углы, при которых для характерных частот шума струи (0.5-50 кГц) соблюдаются условия свободного акустического поля.
ВЛИЯНИЕ НАЧАЛЬНОГО ПОГРАНИЧНОГО СЛОЯ
Для исследования влияния начального пограничного слоя на акустомеханический кпд струи использовались 3 модели, отличающиеся длиной (L) цилиндрической части на выходе сопла - рис. 2. Диаметр выхода D = 15 мм для всех насадков. Толщина погранслоя при L/D = 1 составляла величину 5 = 0.05D, при L/D = 10 и 30 - 5 = 0.25D и 0.5D соответственно.
Экспериментальные результаты представлены на рис. 2 в виде зависимости акустомеханиче-ского кпд от максимального значения числа Маха. Величина потока кинетической энергии струи вычислялась с учетом потерь в пограничном слое. (Здесь максимальное значение числа Маха определяется по максимальному значению скорости на выходе сопла или (то же самое) по полному
(а)
Ь1
ЕЗ
Ь3
П х 105
(б)
0.4 0.5
м = и / а0
Рис. 2. Влияние начального пограничного слоя на акустомеханический кпд неподогретых струй. а - схемы исследованных моделей сопел. б - зависимость кпд от числа Маха. 1 - 5 = 0.05 Д 2 - 5 = 0.25 Д 3 - 5 = 0.5Д 4 - п ~ М5.
1
2
3
давлению в ресивере). Видно, что данные для модели 1 (светлые кружки) соответствуют известной зависимости Еа - 10-4 М5 (см. рис. 1). Данные для моделей 2 и 3 лежат существенно ниже данных для эталонного сопла (1), если выбирать максимальное число Маха в качестве определяющего параметра. Однако, если предположить, что характерной величиной должно быть число Маха, вычисленное по осредненной по импульсу скорости (и = I/О/), то в этом случае данные для моделей 2 и 3 сдвинутся в сторону обобщающей зависимости и окажутся на общей кривой. (Здесь
I = / и2й¥ - импульс струи, О/ - массовый расход, р / - плотность струи, й¥ - элемент площади сопла).
СТРУИ С НИЗКОЙ ПЛОТНОСТЬЮ И СКОРОСТЬЮ
Эксперименты по исследованию влияния плотности на шум струи проводились с использованием модели 1, описанной в предыдущем разделе. Измерения проводились в той же малой акустической камере (АКМ). В экспериментах использовались смеси гелия с воздухом, при этом концентрация гелия в смеси (к) варьировалась в пределах 0-100%.
Следует отметить, что профили средних значений температуры в подогретых струях и концентраций в низкоплотностных струях подобны, также как подобны распределения осредненных пульсационных параметров [7]. Таким образом, смеси газов различной плотности могут быть использованы для моделирования аэродинамических и, следовательно, акустических полей нагретых турбулентных струй. Увеличение концентрации гелия в струе моделирует рост температуры струи. Струя чистого гелия (р/-/ра = 0.138, ра -
плотность воздуха) моделирует горячую струю при температуре порядка Т* = 2175 К.
Результаты экспериментов представлены на рис. 3 в виде зависимости акустомеханического кпд от числа Маха. Здесь же символами ©
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.