МЕХАНИКА ЖИДКОСТИ И ГАЗА № 1 • 2014
УДК 532.522.2:532.527:532.525.2:534.83
© 2014 г. Д. Л. ЗАХАРОВ, С. Ю. КРАШЕНИННИКОВ, В. П. МАСЛОВ, А. К. МИРОНОВ,
П. Д. ТОКТАЛИЕВ
ИССЛЕДОВАНИЕ НЕСТАЦИОНАРНЫХ ПРОЦЕССОВ, СВОЙСТВ ТЕЧЕНИЯ
И ТОНАЛЬНОГО АКУСТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ЗАКРУЧЕННОЙ СТРУИ
Представлены результаты исследования нестационарной структуры течения в турбулентной закрученной струе с помощью Р1У технологии. Основная часть измерений проведена при интенсивности закрутки Жо = 1.7. Часть данных получена и при других условиях истечения закрученных струй. Для выделения взаимной связи возмущений различного типа применялась техника фазового осреднения при использовании пульсации давления в акустическом поле струи в качестве опорного сигнала. Проведены численные расчеты структуры течения. Результаты исследований показали, что в потоке струи наблюдается квазистационарная неоднородность, совершающая вращательное движение относительно среднего поля течения в поперечном сечении струи — "прецессия". Она вызывает возмущения в потоке, подтекающем к струе, которые на удалении от струи превращаются в акустические возмущения. Частота динамических возмущений вблизи струи и акустических возмущений на удалении от струи совпадает с частотой прецессии.
Ключевые слова: турбулентная струя, закрученная струя, шум турбулентных струй, источники звука, прецессия, нестационарность потока струи.
Результаты исследований [1—3] показывают, что, несмотря на различия в конструкции устройств закручивающих поток, структура струйного течения за ними в основном (по интенсивности расширения, длине зоны обратных токов, пульсационным характеристикам) определяется величиной интенсивности закрутки Ж0, которая представляет собой отношение максимального значения вращательной скорости в исходном сечении струи к среднерасходной скорости истечения.
На практике обычно используются завихрители, создающие поток с Ж0 = 1 — 1.8. Это связано с тем, что именно в этом диапазоне интенсивностей закрутки за завихри-телем образуется достаточно стабильная приосевая зона обратных токов.
Исследованию турбулентных закрученных струй посвящено большое количество работ. Частично они приведены в библиографии [1—16].
Основная особенность закрученных струй — их интенсивное смешение с окружающей средой. Очевидно, что при этом происходит интенсивная эжекция — втекание в струю внешней среды. В [2] на основании экспериментальных данных показано, что интенсификация подтекания к струе обусловлена повышенным разрежением в струе из-за закрутки потока.
Закрученные струи являются сложным объектом, как для эксперимента, так и для вычислительного моделирования, поэтому накопленные результаты исследований могут быть дополнены данными экспериментов, полученных с использованием современных технических средств и численных расчетов, позволяющих в определенной мере уточнить известные представления и закономерности, описывающие свойства таких течений.
Поскольку практический интерес представляют закрученные потоки, создаваемые специальными закручивающими устройствами, ориентированными на решение конкретных задач (организация интенсивного перемешивания, обеспечение устойчиво-
сти процесса горения и т.п.) они имеют разнообразные конструкции. Это создает определенные трудности в выявлении общих, основных свойств закрученных турбулентных струй, поскольку разные исследователи используют различающиеся закручивающие устройства и для определения интенсивности закрутки струи в источнике руководствуются соотношениями, основанными на конструктивных параметрах закручивающего устройства. В работе [1] показано, что такой подход не позволяет с достаточной точностью определять исходные свойства закрученной струи. Даже для закручивающих устройств одного типа наблюдается большой разброс свойств течения в струе при вариации такого общепринятого конструктивного параметра, как геометрическая характеристика форсунки A [2, 3].
В связи с этим авторы настоящей работы в исследованиях закрученных струй последовательно исходят из предположения, что наиболее общим параметром, от которого зависят свойства закрученной струи, является интенсивность закрутки струи в начальном сечении W0, которая определяется как отношение максимального значения вращательной компоненты скорости wm к среднерасходной скорости истечения и0: ^ = ^/и0.
При исследованиях закрученных струй этот параметр определяется экспериментально, при вычислительном моделировании — по результатам расчета течения через завихрительное (закручивающее) устройство.
Конечно, параметр W0 не абсолютно универсален, и исследования показывают ограниченность его применимости для описания свойств закрученных турбулентных струй. Однако диапазон конструктивных особенностей закручивающих устройств, для которых он подходит, достаточно широк. Авторами проведены исследования струй при интенсивности закрутки W0 « 1+2.5, распространяющихся из источников различной конструкции — центробежные форсунки, вихревые камеры, лопаточные завихри-тели [2, 3, 7]. Показано, что такие основные параметры течения в струе как длина зоны обратных токов, интенсивность расширения, закономерности затухания компонент скорости, температуры и концентрации примеси описываются едиными закономерностями при одинаковых значениях W0. Сюда относится и закономерность, характеризующая частоту акустических пульсаций, создаваемых интенсивно закрученной струей, полученная в [1]
= /0^0 « 0.7 Wo (0.1)
где /0 — частота основного (первого) тона акустического излучения струи, с1 — диаметр источника струи, — число Струхаля.
Основное внимание настоящего исследования уделено установлению связи нестационарных процессов в интенсивно закрученной струе с излучением тонального шума, первая основная частота которого подчиняется соотношению (0.1).
В работе [1] показано, что если увеличивать интенсивность закрутки свободной турбулентной струи, то при достижении значения W0 = 1, происходит резкое изменение структуры течения: возникает приосевая зона возвратного течения (проникающая внутрь закручивающего устройства), появляется подъем в спектре пульсаций скорости и тональный шум на той же частоте. Длина зоны возвратного течения Ь возникающего при W0 ^ 1, отсчитываемая от источника струи, составляет 2й и увеличивается с ростом закрутки в соответствии с закономерностью
ь° = 2W0 (0.2)
где Ь = Ь/й.
Отсюда следует вывод о связи наличия зоны обратных токов внутри струи с излучением тонального шума.
Два фактора позволяют сделать вывод о не акустическом, а о чисто гидродинамическом происхождении тонального шума.
Во-первых, хотя зона обратных токов является основным элементом, создающим положительную обратную связь для возмущений, возникающих в источнике струи, ее длина растет с ростом интенсивности закрутки (0.2), а длина волны акустического излучения сокращается.
Во-вторых, специально проведенный эксперимент с подачей гелия в форсунки вместо воздуха, т. е. среды с существенно другим значением скорости звука, показал, что частота дискретного тока практически сохранилась [1].
Во многих работах, посвященных исследованию сильно закрученных струй также отмечена связь, заключающаяся в совпадении частоты максимума в спектре пульсаций скорости в струе и частоты дискретного тона в шуме струи [1—5].
Одной из особенностей течения в сильно закрученной струе с приосевой зоной обратного тока является наблюдаемое вращение осредненного по небольшому промежутку времени поля течения в струе, которое принято называть прецессией [4, 5]. Таким образом, осесимметричная в среднем структура течения имеет периодическую составляющую, наблюдаемую при специальной визуализации течения [5, 10]. При измерении мгновенных распределений скорости в поперечном сечении струи также обнаруживается несимметрия [4—13]. В работе [9] на основании измерений пульсаций давления в струе сделан вывод о том, что они вызваны прецессией, и из совпадения характерных частот пульсаций давления в струе и тонального шума делается вывод о том, что прецессионное движение в струе создает тональный шум. В [10] представлены данные о динамике потока, непосредственно демонстрирующие прецессионное движение, на основании которых определен его характерный период, и указано на совпадение этого периода с периодом акустических пульсаций.
Настоящее исследование посвящено анализу нестационарных периодических процессов, имеющих место в струях с высокой интенсивностью закрутки на основании экспериментальных исследований и численных расчетов нестационарного течения в струях за закручивающими устройствами. Подробное экспериментальное исследование условий появления дискретного тона и изучение взаимосвязей структуры потока в струе и ее акустического поля проведено для струи с Ж0 « 1.7. Численный расчет сориентирован на близкое к этой величине значение интенсивности закрутки.
В отличие от обычной турбулентной струи с широкополосным спектром шума, закрученная струя, создающая тональный шум, является более удобным объектом для исследования связи акустического поля с гидродинамикой течения, поскольку в этом случае можно проводить измерения для конкретной частоты пульсаций. Один из результатов работы — установление такой связи.
1. Методика и условия эксперимента. Для проведения измерений полей концентрации и скорости использовалась специальная экспериментальная установка, описанная в [10]. В торце цилиндрической камеры установлен завихритель, сжатый воздух в камеру подавался по двум радиальным патрубкам. На выходе завихрителя установлено коническое сопло диаметром d = 50 мм. Выход из сопла заканчивался цилиндрическим участком длиной порядка 0^. Таким образом, экспериментальная установка представляла собой вихревую камеру, на выходе которой формировалась закрученная струя с параметрами закрутки Ж0 = 1.7, щ = 14.4 м/с.
1. Газодинамические измерения. Для измерения характеристик потока применялся Р1У фирмы "Ьа УЫоп" со стандартным математическим обеспечением. Для получения лазерного ножа использовался двухимпульсный лазер с энергией импульса 120 мДж, продолжительностью 5 нс и длиной волны 532 нм. Для получени
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.