научная статья по теме НЕЛИНЕЙНЫЕ ЗВУКОВЫЕ ВОЛНЫ ПРИ СХЛОПЫВАНИИ ВИХРЕВОГО ДИПОЛЯ Физика

Текст научной статьи на тему «НЕЛИНЕЙНЫЕ ЗВУКОВЫЕ ВОЛНЫ ПРИ СХЛОПЫВАНИИ ВИХРЕВОГО ДИПОЛЯ»

АКУСТИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2014, том 60, № 4, с. 395-397

^ АТМОСФЕРНАЯ

И АЭРОЕАКУСТИКА

УДК 534.26;542.34

НЕЛИНЕЙНЫЕ ЗВУКОВЫЕ ВОЛНЫ ПРИ СХЛОПЫВАНИИ ВИХРЕВОГО ДИПОЛЯ © 2014 г. К. А. Наугольных

Zel Technologies, LLC/Physical Sciences Division, Earth System Research Laboratory NOAA 325 Broadway, Boulder, Colorado 80305 E-mail: konstantin.naugolnykh@noaa.gov Поступила в редакцию 26.12.2013 г.

Излучение звука вихревым диполем уменьшает энергию диполя и меняет распределение вихревой скорости. Происходит относительное смещение компонент диполя. Ранее такой процесс акустической неустойчивости вихря рассматривался применительно к случаю слабого акустического излучения, описываемого волновым уравнением. Особенности акустической неустойчивости при излучении сильно нелинейного звука вихрем рассматриваются в настоящей работе.

Ключевые слова: вихревой диполь, неустойчивость, излучение звука, акустическая нелинейность. DOI: 10.7868/S032079191404011X

ВВЕДЕНИЕ

Вихревое движение является источником звукового излучения. В свою очередь, излучение звука вихрем уменьшает энергию вихревого диполя. Развивается акустическая неустойчивость и относительное движение вихрей диполя [1]. Линейная стадия этого процесса рассматривалась ранее, и было установлено, что одинаковые вихри расходятся [2], а вихри различной интенсивности и знака — сближаются, и происходит коллапс вихрей разного знака [2, 3]. В результате сближения — коллапса вихрей — интенсивность возмущения растет, и эффекты нелинейного звука становятся существенными. Этот процесс рассматривается в настоящей работе методом сращивания асимптотических разложений решения для диполя из точечных вихрей в несжимаемой жидкости и решения нелинейного уравнения Бюргерса в сжимаемой среде. При этом приняты во внимание эффекты цилиндрического расхождения волны и нелинейной эволюции профиля.

а2 = а[х1/(х1 + X 2)]- Энергия диполя определяется интенсивностями вихрей и зависит от расстояния а между ними:

Е = 2проХ1Х 2 1п(а/г). (2)

При этих обозначениях уравнение (1) в области

X > г > а (3)

дает асимптотическое соотношение вида

ф(г, 0,0 - Х1Х2 (а/г)2е(4) 2(Х1 + Х2)

которое можно рассматривать в качестве граничного условия для уравнения звуковой волны. Здесь X — длина звуковой волны. Соответственно радиальная составляющая скорости определяется соотношением [3]

\2 2i(<at-0)

_ дф _ a Х1Х2 а2i(mt-6)

(5)

у(г, 0, ^ = ^ =-—- е

дг 2(Х1 + х 2)г В области малых г радиальная скорость возрастает и нелинейные эффекты становятся заметными.

ВИХРЕВОЕ ПОЛЕ ДИПОЛЯ

Два вихря с интенсивностью соответственно Х1 и х2, (х = Г/2я, Г — циркуляция вихря) и угловой частотой вращения вокруг общего центра ю = = (х1 — х2)/а2, где а — расстояние между вихрями, в несжимаемой жидкости производят поток с потенциалом скорости [4]

ф(г,0,О = г'х11п(гею - а1е'ш) + г'х21п(гею - а2еш). (1) Здесь г и 0 — полярные координаты точки наблюдения, ? — время, в формуле (1) а1 = 4Х2/(Х1 + Х2)],

НЕЛИНЕЙНЫЕ ЗВУКОВЫЕ ВОЛНЫ

Распространение звуковой волны конечной амплитуды описывается уравнением Бюргерса для скорости частицы V. В обобщенном виде это уравнение учитывает расхождение сферической или цилиндрической волны и выглядит так [4, 5]:

2

dv , v 6 dv ,д v --+ n---2 v— = b—2.

dr r c0 ду dy

(6)

Здесь г — "медленная" полярная координата; у = = ? — г/с0; ? — время; с0 — скорость звука; п = 1, 1/2, 0 для сферической, цилиндрической и плоской

396

НАУГОЛЬНЫХ

ау

-1.0 -0.5 и 0.5 1.0

1 1 —0.5 - 1 1 ш /

— 1.0 -

— 1.5 Б!

/ >/—2.0 -

/ —2.5 -

[ —3.0 -

Профили распределения скорости частиц в волне: Ш — начальное распределение, DI — нелинейно-деформированный профиль.

или, при г/г0 > 1,

^ = Г(юу\ р + 2о0Г '(ту), (12)

V 0 \г

так что линейно-акустический член цилиндрической волны убывает пропорционально 1/л/Т, а нелинейный член не меняется с расстоянием, нелинейные эффекты компенсируют цилиндрическое расхождение, и этот член — в рамках цилиндрической модели — в дальней зоне вносит основной вклад в излучение вихря.

Рассмотрим теперь решение уравнения Бюр-герса, удовлетворяющее граничному условию F(юy) в точке г = г0 и соответствующее сильным нелинейным эффектам. Уравнение простой волны эквивалентно характеристическому уравнению

юу = -zW + Г_1(ю у), (13)

где ^—1(юу) — функция, обратная F(юy). В размерной форме это уравнение принимает вид

волны соответственно; е = (у + 1)/2 — нелинейный параметр, где у = (дс 2/др)Др0/сд) + 1, р — плотность жидкости, индекс 0 указывает на равновесное значение величины; Ь — диссипативный коэффициент. В случае большого числа Рейнольдса,

Яе = еу/с2Ью > 1, где ю — круговая частота возмущения, диссипативным членом уравнения Бюргерса можно пренебречь, и получаем следующее уравнение в нормированном виде:

дw __ W еж = 0

(7)

дz ду

Для цилиндрической волны члены этого уравнения определяются соотношениями

z = 2а о

— -1

Ж(юу) =

(8)

^ о V —о

где а0 = 6Мкг0, М = Vс0 — число Маха, и к = ю/с0. Распространение расходящейся цилиндрической волны конечной амплитуды, заданной функцией Дюу) в точке г = г0, определяется уравнением простой волны:

Ж (ю у) = Г (ю у + zW). (9)

Рассмотрим сначала случай, когда нелинейные поправки малы и это уравнение приближенно может быть представлено в виде разложения

Ж(юу) « Г(юу) + zWF'(юу), (10)

где штрих обозначает производную функции Дюу). В размерном виде получается уравнение

— = Г (иу) + 2а0

V л —0

Г (иу)

(11)

Два члена в правой части уравнения определяются соответственно нелинейным эффектом и граничным условием. Особенности распространения нелинейного звука определяются безразмерным коэффициентом ст0 = еМкг0, который указывает, насколько нелинейный эффект, пропорциональный еМ, накапливается в процессе распространения. С уменьшением г0 скорость частиц V увеличивается (см. (5)) и число Маха растет. Решение (14) дает профиль волны юу^ /у0) на различных расстояниях г/г0 при заданном ст0. В качестве примера рассмотрим излучение вихрем звуковой волны, заданной граничным условием (5) и представленной на рисунке в виде функции безразмерной скорости и = V/у0 от безразмерной координаты юу. Начальное распределение скорости частиц и нелинейно-деформированный профиль представлены на рисунке кривыми Ш и Б1.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Излучение звука приводит к уменьшению энергии вихря, соответствующему изменению вихревого поля диполя и развитию акустической неустойчивости [1]. Линейная теория процессов акустической неустойчивости и эволюции вихрей, опубликованная в литературе, показывает, что в результате неустойчивости одинаковые вихри расходятся [2], а вихри различной интенсивности и знака — сближаются и происходит коллапс вихрей разного знака [3, 4]. В результате коллапса вихрей интенсивность возмущения растет, и эффекты нелинейного звука могут стать существен-

АКУСТИЧЕСКИМ ЖУРНАЛ том 60 № 4 2014

НЕЛИНЕЙНЫЕ ЗВУКОВЫЕ ВОЛНЫ ПРИ СХЛОПЫВАНИИ ВИХРЕВОГО ДИПОЛЯ

397

ными. Этот процесс рассматривается в настоящей работе методом сращивания асимптотических разложений решения для диполя из точечных вихрей в несжимаемой жидкости и решения нелинейного уравнения Бюргерса в сжимаемой среде. При этом как эффекты цилиндрического расхождения волны, так и нелинейной эволюции профиля приняты во внимание. Показано, что линейно-акустический член цилиндрической волны убывает пропорционально 1/л/Т, а нелинейный член не меняется с расстоянием, так как нелинейные эффекты компенсируют цилиндрическое расхождение. В рамках цилиндрической модели этот член в дальней зоне вносит основной вклад в излучение вихря.

В заключение отметим, что процессы акустической неустойчивости обсуждались в Акустическом журнале в основном применительно к излучению звука струями (см. [8] и цитируемую в ней литературу). Об истории создания использованных выше нелинейных моделей подробно рассказано в историческом обзоре [9].

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Broadbend E.G., Moore D.W. Acoustic destabilization of vortices // Philos. Trans. R. Soc. London Ser. A. 1979. V. 290. P. 353.

2. Кляцкин В.И. Звуковое излучение системы вихрей // Изв. АН СССР. ФАО. 1966. Т. 6. № 2. С. 87-92.

3. Копьев И.Ф., Леонтьев Е.А. Об акустической неустойчивости аксиального вихря // Акуст. журн. 1983. Т. 29. № 2. С. 192-198.

4. Гряник В.М. Излучение звука линейными вихревыми нитями // Изв. АН СССР. ФАО. 1983. Т. 19. № 2. С. 203-206.

5. Milne-Thomson L.M. Theoretical Hydrodynamics. Macmillan Company: New-York, 1957. Ch. 13.

6. Наугольных К.А. Поглощение звуковых волн конечной амплитуды / Мощные ультразвуковые поля. Под ред. Розенберга Л.Д. М.: Наука, 1968. 268 с.

7. Руденко О.В., Солуян С.И. Теоретические основы нелинейной акустики. М.: Наука, 1975. 287 с.

8. Копьев В.Ф., Беляев И.В., Зайцев М.Ю., Копьев В.А., Фараносов Г.А. Акустическое управление волнами неустойчивости в турбулентной струе // Акуст. журн. 2013. Т. 59. № 1. С. 19-30.

9. Руденко О.В. К 40-летию уравнения Хохлова-Забо-лотской // Акуст. журн. 2010. Т. 56. № 4. С. 452-462.

АКУСТИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ том 60 № 4 2014

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.

Показать целиком