ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2010, том 48, № 2, с. 241-249
УДК 533.6.011.32
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМА АКУСТИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ
В ЗАКРУЧЕННЫХ ТЕЧЕНИЯХ
© 2010 г. О. В. Митрофанова1, П. П. Егорцов1, Л. С. Кокорев1, В. Б. Круглов1, А. И. Чернов2
Московский инженерно-физический институт (государственный университет), Москва
e-mail: omitr@yandex.ru 2Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова (РАН), Москва,
e-mail: markl@yandex.ru Поступила в редакцию 16.02.2009 г.
Создана экспериментальная установка и проведены систематические измерения полей давления и амплитудно-частотных характеристик акустических колебаний, генерируемых импактными закрученными течениями. Выявлен устойчивый эффект генерации резонансных звуковых колебаний при истечении импактных закрученных струй. Представлены кривые распределения давления на поверхности преграды при различных значениях ширины зазора между поверхностью преграды и вихревой камерой. При определенном соотношении геометрических параметров области истечения воздушной импактной закрученной струи зафиксировано появление звукового резонанса с частотой, зависящей от расхода газа. Для теоретического описания наблюдаемого явления звукового резонанса в закрученной импактной струе получено приближенное аналитическое решение, основанное на использовании физической модели акустического течения.
ВВЕДЕНИЕ
Предпринятые исследования направлены на изучение природы вихревого звука — явления генерации акустических колебаний в жидких и газообразных средах, обусловленного эффектами вихреобразования.
Ранее, согласно общепринятым представлениям, изложенным, например, в монографии [1], механизм возникновения вихревого звука связывался в основном с эффектами вихреобразования при обтекании тел потоком. Как показали предварительные эксперименты, проведенные авторами настоящей работы, исходной причиной возникновения звуковых колебаний в закрученных течениях может служить эффект образования детерминированной внутренней вихревой структуры потока.
Согласно экспериментальным результатам, полученным в работе [2], одним из способов генерации упорядоченной вихревой структуры потока является импактное струйное течение (натекание струи на преграду). Из-за их широкого распространения в технических устройствах импактные струи становятся объектом все более многочисленных исследований. В работе [2] было показано, что импактная струя в случае отсутствия закрутки имеет тонкую вихревую структуру в виде спиральных вихрей типа Тейлора—Гёртлера с чередующимся направлением вращения. В то же время в экспериментах с закрученной и незакру-
ченной импактными струями [3] было выявлено качественное различие образующихся полей давлений.
В опытах с незакрученной импактной струей [2] акустических резонансов зафиксировано не было. В экспериментах же с закрученными импактными струями [3] установлено, что начиная с определенного расстояния между срезом сопла и преградой появляется выраженный звуковой эффект. Полученный при этом характер кривых распределения давления в форме "кошачьих ушек" (рис. 5 в [3]) может указывать на формирование спиральных или тороидальных вихрей с поперечным масштабом, соответствующим расстоянию до преграды.
Измерения на аргоне и на воздухе позволили выделить устойчивые частоты акустических колебаний, возникающие в закрученных импактных струях. В опытах были зафиксированы два акустических резонанса в области высоких (~10 кГц) и низких (до 1 кГц) частот. Появление акустических резонансов в области высоких и низких частот наблюдалось также в вихревых трубах [4]. Особо следует отметить, что эксперименты с гелием при той же геометрии области истечения закрученной струи ожидаемого акустического эффекта не дали. Этот факт указывает на влияние молекулярных свойств среды (и, в частности, коэффициента кинематической вязкости) на процесс вихреобразования.
Рис. 1. Схема установки: 1 — винтовой компрессор, 2 — ресивер объемом 230 л, 3 — охладитель воздуха, 4 — осушитель воздуха, 5 — ресивер объемом 470 л, 6 — блок фильтров, 7 — редуктор, 8 — расходомер, 9 — вихревая камера, 10 — преграда с отборами давления, 11 — манометрическая система, 12 — измерительный микрофон, 13 — компьютер.
АР, кПа 12 10 8 6 4 2 0 -2 -4
(а)
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
г, мм
Рис. 2. Распределение давления (а) и визуализированный вихревой след (б) на поверхности преграды при значении ширины зазора между поверхностью преграды и вихревой камерой к = 1 мм.
В настоящей работе показано, что появление акустических резонансов связано с наличием внутренней вихревой структуры закрученного течения.
В области фундаментальных исследований сложных вихревых и закрученных течений проблему изучения механизмов генерации и устойчивости детерминированных вихревых структур следует выделить особо, так как она является актуальной не только для технических отраслей знаний, но и объединяет такие жизненно важные науки, как метеорология, океанология, климатология и др. В частности, отдельным аспектам изучения данной проблемы посвящены работы [5, 6].
ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ
С целью получения более полной информации по определению амплитудно-частотных характеристик акустических колебаний, генерируемых закрученной импактной струей, была предложена усовершенствованная методика экспериментальных измерений.
Схема экспериментальной установки, выполненной на базе газодинамического стенда, обеспечивавшего суммарный объем запаса воздуха в ресивере до 700 л и сжатие до 10 атм, изображена на рис. 1.
Нагнетаемый компрессором 1 поток воздуха поступает через ресивер 2 в охладитель 3, затем в осушитель 4 и в основной ресивер 5. Из ресивера 5 воздух через систему фильтров 6 поступает в редуктор 7, предназначенный для регулировки расхода. Из редуктора 7 поток воздуха проходит через расходомер 8, сигнал с которого подается на компьютер 13. Далее поток по соединительным шлангам направляется в вихревую камеру 9. Для создания радиально расходящейся импактной струи над выходным отверстием камеры 9 устанавливается преграда с отборами давления и винтами регулировки высоты 10, выполненная в виде плоского диска. Поток воздуха, вышедший из сопла камеры, ударяет в преграду с отборами давления 10. Для измерения поля давления на поверхности преграды использовалась спиртовая манометрическая система 11. Отборы давления осуществлялись с помо-
АР, кПа 5
4
3
2
1
0
-1
(а)
(б)
к = 4 мм
10 15 20 25 30 35 40 45
г, мм
(в)
дБ
1000
2000 3000 4000 6000
10000
Гц
Рис. 3. Характеристики течения, соответствующие появлению акустического резонанса, для импактной закрученной струи при значении ширины зазора между поверхностью преграды и вихревой камерой к = 4 мм: (а) — распределение давления на поверхности преграды; (б) — визуализированный вихревой след; (в) — амплитудно-частотная диаграмма с резонансным пиком на частоте 4371 Гц и кратными ей обертонами.
щью перфорированной пластины, выполнявшей роль преграды 10, при переменной герметизации всех отверстий, кроме одного, из которого осуществлялся отбор. Звуковые сигналы, соответствующие возникновению акустических резонансов на фоне "белого" шума, фиксировались при помощи измерительного микрофона 12 и обрабатывались компьютером 13.
Вихревая камера представляла собой полый цилиндр с внутренним диаметром 100 мм и высотой 180 мм. Воздух подавался в нижнюю часть камеры по тангенциальному вводу. Днище вихревой камеры было сплошным, а в верхней торцевой поверхности камера имела выходное отверстие диаметром й 0. Измерения проводились при двух значениях й 0, равных 8 и 12 мм. Диаметр круглых пластин, используемых в качестве преград, соответствовал внешнему диаметру вихревой камеры 110 мм.
Как отмечалось в работе [3], для закрученной струи, выходящей под напором из вихревой камеры и ударяющей в преграду, начиная с определенного расстояния между камерой и преградой Н0 имеет место эффект притяжения: отбрасываемая струей на больших расстояниях преграда начинает притягиваться при к < к0.
Во всех сериях экспериментов было отмечено, что притяжение начиналось в условиях приблизительного соответствия ширины зазора диаметру выходного отверстия к0 < й0 и сопровождалось
АР, 12 10 8 6 4 2 0 -2 -4 -6
кПа
—о— к = 1 мм —■— к = 3 мм —д— к = 4 мм —т— к = 5 мм к = 8 мм
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
г, мм
Рис. 4. Кривые распределения давления на поверхности преграды при различных значениях ширины зазора к между поверхностью преграды и вихревой камерой для диаметра выходного отверстия вихревой камеры й 0 = 8 мм.
/, Гц 6000 5000 4000 3000 2000 1000
0
/, Гц 6000 5000 4000 3000 2000 1000
0
♦ А0 = 8 мм
О А0 = 12 мм .]__I_I
4 5 6
в х 103, м3/с
10
20
30 40
иг (г*), м/с
/, Гц 6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
/, Гц 6000 5000 4000 3000 2000 1000
0
20
40
60
80
вых?
100
м/с
ф А0 = 8 мм, Н = 6 мм О А0 = 12 мм, Н = 5 мм
\_I_I
10
20
30 40
иг (г*), м/с
Рис. 5. Результаты измерений частотных характеристик импактных закрученных струй при различной геометрии области течения. Зависимости частоты звуковых колебаний от расхода (а) и скорости на выходе из вихревой камеры (б); совпадение зависимостей частот звуковых колебаний / от среднего значения радиальной компоненты скорости на границе выходного отверстия иг(г*) для различных геометрий области течения: (в) — ^ = 8, Н = 5 мм и = 12, Н = 4 мм; (г) — Ад = 8, Н = 6 мм и Ад = 12, Н = 5 мм.
появлением звукового резонанса — выделением определенной частоты звука на фоне шума. Максимальный звуковой эффект достигался при ширине зазора между выходным отверстием камеры и преградой Н = й 0/2. Диапазон чисел Рейнольдса соответствовал значениям Яе = 1.3 х 104 — 8.1 х
х 104, Яе = ийо,
V
где и — средняя расходная ско-
рость на выходе из вихревой камеры.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
Систематические измерения поля давления на поверхности преграды были проведены при ее фиксации для различных значений ширины зазора Н. В качестве характерных примеров распределений давления и картин вихревого следа на поверхности преграды на рис. 2—4 представлены результаты опытов, полученных при использовании вихревой
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.