М ЕХАНИКА ЖИДКОСТИ И ГАЗА № 5 • 2015
УДК 532.517:534.231
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМА САМОРЕГУЛИРОВАНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ В ИМПАКТНОМ ЗАКРУЧЕННОМ ТЕЧЕНИИ
© 2015 г. О. В. МИТРОФАНОВА, И. Г. ПОЗДЕЕВА
Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ, Москва e-mail: omitr@yandex.ru, pozdeeva_irina@mail.ru
Поступила в редакцию 26.01.2015 г.
На примере импактного закрученного течения воздуха рассмотрен механизм генерации акустических колебаний, связанный с образованием в движущейся среде устойчивых вихревых структур. Установлено, что при достижении предельной расходной скорости закрученного потока происходит перестройка амплитудно-частотной характеристики акустических колебаний гидромеханической системы. Обнаруженный эффект саморегулирования акустических колебаний выражается в резонансном усилении амплитуды собственных частот вихревой камеры за счет поглощения составляющих спектра акустических колебаний, генерируемых вихревой структурой потока.
Ключевые слова: вихревые структуры, гидромеханическая система, импактные течения, акустические колебания, резонанс, эффект саморегулирования.
Исследование влияния эффектов вихреобразования на генерацию акустических колебаний в звуковом и инфразвуковом диапазонах имеет важное значение для разработки нового, более совершенного поколения различных двигательных и энергетических аппаратов, включая ядерно-энергетические установки.
Явление генерации акустических колебаний в жидких и газообразных средах, обусловленное эффектами вихреобразования, получило название "вихревого звука" [1]. Согласно традиционным представлениям, механизм возникновения вихревого звука связывался в основном с эффектом вихреобразования при внешнем обтекании тел (эолова арфа [1]). Вместе с тем к экспериментально установленным и достаточно хорошо изученным фактам возникновения акустических колебаний в закрученных потоках можно отнести генерацию звуковых колебаний в так называемых вихревых свистках или вихревых генераторах звука. Авторы [2—4] провели ряд теоретических и экспериментальных исследований, которые могут служить основой для понимания механизма вихревой генерации акустических колебаний. Объяснение процесса излучения звука в упомянутых работах основывалось на представлениях, связанных с проявлением гидродинамической неустойчивости закрученного потока, обусловленной прецессией области квазитвердого вращения центрального вихря, формирующегося под воздействием геометрических и расходных параметров потока. При этом считалось, что вихревой генератор как акустический излучатель представляет собой вращающийся диполь.
Как показали эксперименты [5—7], исходной причиной возникновения звуковых колебаний в закрученных течениях может служить эффект образования детерминированной внутренней вихревой структуры потока. Связь внутренней вихревой структуры течения с эффектом возникновения акустических резонансов была выявлена с по-
3
2
5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 г, мм
Фиг. 1. Схема рабочего участка установки: 1 — вихревая камера, 2 — упругая верхняя торцевая поверхность камеры, 3 — преграда, 4 — тангенциальный подвод воздуха (а). Гидродинамическая схема течения в импактном закрученном потоке (б). Кривые распределения давления на поверхности преграды при диаметре выходного отверстия вихревой камеры = 8 мм [5]: 5—9 — к = 1, 3, 4, 5 и 8 мм (в)
мощью предложенного в [5] акустического метода, основанного на измерении частотных характеристик звуковых колебаний в закрученной импактной струе. Теоретический анализ с использованием приближения акустического течения [5] и теории винтовых потоков [8] и проведенное сравнение экспериментальных и расчетных результатов являются обоснованием предложенной физической модели течения, предсказывающей появление акустических резонансов, обусловленных топологией вихревого потока.
Настоящая работа посвящена изучению эффекта саморегулирования акустических колебаний в гидромеханической системе на примере физического моделирования им-пактного (натекающего на преграду) закрученного потока из вихревой камеры.
1. Постановка эксперимента. Эффект саморегулирования. Результаты предварительных исследований [5—7] позволяют однозначно сопоставить процесс генерации вихревых структур с регистрируемыми частотами акустических колебаний, сосредоточенных большей частью в области звукового диапазона.
Рабочий участок использованной в настоящих исследованиях экспериментальной установки [7] показан на фиг. 1, а.
Согласно методике измерений нагнетаемый компрессором поток воздуха поступает в вихревую камеру 1 (см. фиг. 1, а) в виде полого цилиндра с внутренним диаметром 90 мм и высотой 170 мм. Днище вихревой камеры выполнено сплошным, а верхняя
торцевая поверхность камеры 2, имеющая в центре выходное отверстие d0, является сменной, что позволяет варьировать диаметр и форму кромок выходного отверстия. Воздух подается в нижнюю часть камеры по тангенциальному подводу 4. Для создания радиально расходящегося импактного течения над выходным отверстием камеры устанавливается преграда 3, выполненная в виде круглого плоского диска. Размеры и материалы, из которых выполнены преграда и торцевая поверхность вихревой камеры, также могут варьироваться. Звуковые сигналы, соответствующие возникновению акустических резонансов на фоне белого шума, фиксируются при помощи измерительного микрофона ВеЬгт§ег ЕСМ8000, установленного на расстоянии 30 см от центра вихревой камеры напротив выходной щели, и записываются в режиме реального времени на компьютере.
Ранее в экспериментах по измерению полей давления на преградах при истечении воздушного потока из вихревой камеры [9] показано, что при уменьшении расстояния z между верхней торцевой поверхностью вихревой камеры 2 и преградой 3 (фиг. 1, а) до определенной фиксированной величины h0, преграда, первоначально отбрасываемая исходящей из камеры струей, при z < h0 начинает притягиваться к вихревой камере. Это явление объясняется формированием поля давления со значительным разрежением в области поворота потока над кромкой выходного отверстия. Кривые распределения избыточного давления на нижней поверхности закрепленной преграды в зависимости от ширины щели h представлены на фиг. 1, в. Дальнейшее уменьшение расстояния z между камерой и преградой приводит к возникновению устойчивых звуковых колебаний, интенсивность которых зависит от ширины щелевого зазора и расхода воздуха.
Анализ экспериментальных результатов [5] показал, что при истечении закрученной струи из вихревой камеры над выходным отверстием образуется тороидальный вихрь, а весь расход рабочего тела выносится в радиальном направлении спиральными вихревыми рукавами, число которых зависит от величины расхода и геометрии выходной щели (фиг. 1, б). При этом в [7] установлено, что для двух типов течения — с жестко зафиксированной и с незакрепленной, свободнолежащей преградой — механизм возникновения акустического резонанса имеет одинаковую природу, связанную с образованием устойчивых вихревых структур. Сами же формирующиеся в этих случаях вихревые структуры имеют различия, обусловленные изменением соотношения масштабов выходного отверстия вихревой камеры d0 и ширины кольцевого зазора h.
В случае жесткого закрепления преграды на расстоянии h, соразмерном радиусу выходного отверстия вихревой камеры, акустический резонансный эффект возникал при совпадении частотных характеристик крупномасштабных тороидального и спирального вихрей, образующихся в щелевом зазоре под преградой (фиг. 1, б).
При незакрепленной преграде размер щели h, образующейся естественным образом, не превышал 0.5 мм, поэтому геометрия области истечения закрученного потока исключала формирование крупномасштабных вихреобразований, и вынос заданного расхода осуществлялся множеством спиральных вихрей малого поперечного масштаба. Акустический эффект в этом случае связан с совпадением частот вращения в вихрях с собственными частотами вихревой камеры.
В настоящих экспериментах определялись амплитудно-частотные характеристики акустических колебаний, регистрируемых при истечении импактного закрученного потока воздуха из вихревой камеры (фиг. 1, а). В опытах варьировались геометрические параметры преград, из которых определяющим являлся их диаметр D. Использовались преграды с размерами D от 30 до 90 мм (с шагом увеличения диаметра 10 мм). Диапазон чисел Рейнольдса Re, определяемых по расходной скорости потока в области выходного отверстия вихревой камеры, составлял Re = 1.7 • 104—2.3 • 104.
а
Фиг. 2. Эффект саморегулирования акустических колебаний для преграды диаметром Б = 70 мм при а?0 = 5 мм и О = 1.15 • 10-3 м3/с: (а) Амплитудно-частотные характеристики акустических колебаний: 1 — докритический режим, 2 — критический режим. (б) Временная развертка акустической волны, соответствующая режиму 1. (в) Временная развертка акустической волны, соответствующая режиму 2
Во всех экспериментах с незакрепленной преградой при различных диаметрах преграды выявлен эффект саморегулирования акустических колебаний. На фиг. 2, а представлены амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) акустических колебаний, иллюстрирующие для преграды диаметром Б = 70 мм эффект саморегулирования, связанный с достижением предельного расхода закрученного потока воздуха. Само понятие предельного расхода введено на основании открытия [10]: скорость поступательного движения закрученного потока жидкости не может превосходить критического значения, равного скорости распространения длинных центробежных волн.
Амплитудно-частотные характеристики, иллюстрирующие эффект саморегулирования, получены при установившемся расходе воздуха (близкого к предельному значению) для двух режимов течения: докритического (АЧХ 1, светлый фон на фиг. 2, а),
А, дБ 50
25 0
-25 -50
-40
Фиг. 3. Сравнение результатов расчета с визуализационной картиной течения: а — результат сложения гармонических колебаний с частотами / = 2796 Гц и / = 273 Гц; б — фигура Лиссажу с частотами / = 2796 Гц и / = 273 Гц в цилиндрической системе координат (г, ф, z); в — картина вихревого следа на нижней поверхности преграды
имеющего мест
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.