АКУСТИЧЕСКАЯ ЭКОЛОГИЯ. ^^^^^^^^^^ ШУМЫ И ВИБРАЦИЯ
УДК 534.83, 533.6.011:(533.95)
УПРАВЛЕНИЕ ШУМОМ СТРУИ С ПОМОЩЬЮ ПЛАЗМЕННЫХ АКТУАТОРОВ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОГО БАРЬЕРНОГО РАЗРЯДА
© 2012 г. В. Ф. Копьев, В. А. Битюрин*, И. В. Беляев, С. М. Годин*, М. Ю. Зайцев, А. И. Климов*, В. А. Копьев, И. А. Моралев*, Н. Н. Остриков
Научно-исследовательский Московский комплекс ЦА1И 105005 Москва, ул. Радио 17 E-mail: vkopiev@mktsagi.ru *Объединенный институт высоких температур РАН 125412 Москва, ул. Ижорская 13 Поступила в редакцию 23.12.2011 г.
Экспериментально изучено влияние плазменных актуаторов на основе поверхностного барьерного высокочастотного разряда на шумовые характеристики струи. Результаты исследований с воздушными струями (100—200 м/с) показали, что рассмотренные плазменные актуаторы являются эффективным средством воздействия на их шумовые характеристики. Воздействие актуатора на струю в используемой конфигурации связано с акустическим излучением разряда и во многом аналогично известному эффекту Власова—Гиневского. Показано, что возбуждение струи на St ~ 0.5 с помощью плазменного актуатора на основе барьерного разряда приводит к широкополосному усилению звукового излучения струи. Возбуждение струи на St > 2 приводит к широкополосному снижению шума при воздействии с интенсивностью достаточного уровня.
Ключевые слова: шум турбулентной струи, плазменный актуатор, диэлектрический барьерный разряд, эффект Власова—Гиневского, частота воздействия.
1. ВВЕДЕНИЕ
Интенсивное развитие авиационной техники, создание пассажирского транспорта нового поколения привели к резкому увеличению интенсивных источников шума, воздействующих на человека. Со времени появления в 50-х годах реактивных пассажирских самолетов основным источником шума является выхлопная струя двигателя. Применение двухконтурных турбореактивных двигателей позволило улучшить акустические характеристики самолетов. Для дальнейшего снижения требуется уже подход, учитывающий разные источники (шум вентилятора, шум планера и т.д.), тем не менее, шум струи остается, по-видимому, главным камнем преткновения при решении этой сложной задачи [1, 2]. Кроме того, шум струи остается определяющим источником шума, препятствующим созданию сверхзвукового транспорта. Поэтому к настоящему моменту ощущается острая необходимость, наряду с развитием традиционных подходов в проблеме снижения шума авиационных двигателей, выдвигать и использовать новые идеи, в том числе и идеи, основанные на попытках активного управления шумом турбулентных струй. Одним из таких направлений является использование газоразрядной плазмы для управления свойствами течения.
Способы воздействия на струю исследуются в течение нескольких десятилетий. Пожалуй, наиболее известным и экспериментально изученным является акустическое воздействие (эффект Власова—Гиневского [3]), реализуемое с помощью акустических громкоговорителей. Однако использование акустических громкоговорителей часто весьма затруднительно и труднореализуемо в условиях полета. Использование плазменных актуаторов, расположенных заподлицо на внутренней поверхности сопла, и возбуждаемых периодическим высоковольтным сигналом, как оказалось, имеет сходные черты, выражающиеся в чувствительности струи к высоковольтному воздействию с высокой или низкой частотой. В силу близости эффектов и отсутствия до сих пор однозначного физического объяснения изменения знака влияния в зависимости от частоты воздействия, будем считать обнаруженный эффект влияния плазменных актуаторов плазменной реализацией эффекта Власова—Гиневского.
Модификация свойств воздушного потока с помощью газовых разрядов является быстро растущей областью исследований. Целью этих исследований является управление с помощью плазменных актуаторов ламинарно-турбулент-ным переходом в пограничных слоях или управление точкой отрыва течения, управление тече-
нием в слоях смешения, модификация режимов обтекания и взаимодействия ударных волн и т.д. Основными достоинствами плазменных актуато-ров являются: быстрый отклик; отсутствие механических частей; возможность размещения на различных поверхностях, в том числе на внутренней поверхности сопла двигателя; создание произвольных пространственных конфигураций; широкий диапазон частот воздействия вплоть до сотен килогерц; принципиальная возможность возбуждения различных азимутальных мод; воздействие в нужные периоды времени и отсутствие возмущения потока в другое время.
В отсутствие сильного магнитного поля рассматриваются два основных механизма воздействия плазменных актуаторов на течение газа: 1) локальный джоулев нагрев газа и 2) возникновение электрогазодинамических (ЭГД) струй — потоков газа, образующихся в результате передачи импульса от заряженных частиц плазмы, ускоряемых электрическим полем, молекулам газа. В работе [4] дан подробный обзор работ по применению нетепловых плазменных актуаторов на основе коронного и барьерного разрядов для управления потоком и продемонстрирована их эффективность для низкоскоростных потоков (несколько десятков метров в секунду).
К актуаторам, воздействие которых основано на локальном джоулевом нагреве, относятся акту-аторы с использованием искровых, дуговых, оптических, СВЧ и других разрядов. Такие актуато-ры вызывают сильные локальные возмущения благодаря высокой энергии, локально выделяемой в разрядной области, и могут быть использованы для управления потоком. Исследования, проведенные с помощью дуговых и лазерных плазменных актуаторов в высокоскоростных потоках, продемонстрировали, что локальный нагрев с помощью относительно высокотемпературной плазмы может эффективно воздействовать на поток, на генерацию ударных волн, на положение точки отрыва, возникновение крупномасштабных структур [5—7].
В работе [8] показано, что многокомпонентные актуаторы на основе дугового разряда могут быть применены для управления шумом высокоскоростных струй с большими числами Рей-нольдса. Эффект достигается благодаря возбуждению струи и генерации волн неустойчивости, при этом соответствующим выбором частоты воздействия и фазы актуаторов может достигаться как увеличение, так и снижение уровня шума струи. В работе [9] предложена конфигурация активной системы воздействия на струю, состоящей из шести актуаторов коронного разряда, расположенных по кругу в поперечной к струе плоскости и действующих в противофазе, продемонстрировано резонансное возбуждение колебаний и разрушение вихревых колец.
В настоящей работе приведены результаты экспериментальных исследований влияния плазменных актуаторов на основе поверхностного барьерного высокочастотного разряда на шумовые характеристики струи. В этих актуаторах создается низкотемпературная слабоионизованная плазма, ионы которой ускоряются в достаточно сильном электрическом поле, направленном преимущественно вдоль поверхности диэлектрика. В результате упругих столкновений заряженные частицы передают импульс нейтральному газу. При увеличении электрической мощности, вкладываемой в разряд, происходит контракция разряда, от электрода вдоль поверхности начинают прорастать ярко светящиеся каналы, температура газа в которых значительно выше, чем в окружающей среде. Это дает возможность реализовать как тепловой, так и нетепловой механизм воздействия в одной схеме актуатора. При этом наличие диэлектрического барьера препятствует перекрытию межэлектродного промежутка дугой, возникновение которой недопустимо при выбранном типе актуатора.
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
Конструкция экспериментальной электродной ячейки актуатора принципиально совпадает со схемами, описанными в литературе [10—13]. В качестве диэлектрического слоя использовались термостойкие изоляторы — кварцевое стекло, керамика. Электроды были изготовлены из алюминиевой или медной фольги толщиной 200 мкм и приклеены на поверхность диэлектрика. Параметры высоковольтного блока питания, использованного в экспериментах, были следующими: выходное напряжение — до 20 кВ, мощность в нагрузке — до 3 кВт, несущая частота — / = 30—250 кГц, частота следования — Ш = 3—30 кГц (в зависимости от/).
Плазменные актуаторы на основе поверхностного высокочастотного барьерного разряда исследовались в кварцевом цилиндрическом сопле диаметром 4.5 см и в керамическом коническом сопле с выходным диаметром 5 см. Толщина диэлектрического барьера в цилиндрическом сопле была 2 мм, в коническом — 4 мм. Конструкция сопел и системы крепления представлены на рис. 1.
Плазмообразующие электроды располагались на внутренней поверхности сопла, электрод противоположенного знака находился на внешней поверхности кварцевой или керамической вставки. Для уменьшения паразитного плазмообразо-вания на внешнем электроде, которое помимо нагрева конструкции могло приводить к электрическому пробою через кромку сопла, внешний электрод покрывался слоем диэлектрика. В качестве материалов электродов использовалась алюминиевая или медная фольга. Было исследовано более десятка различных конфигураций активно-
(а)
капролоновое кварцевый сопло цилиндрический
наконечник
(б)
капролон
керамика
Рис. 1. Конструкции сопел: (а) — цилиндрического, (б) — конического.
Рис. 2. Исследованные геометрии электродов.
го внутреннего электрода для каждого вида сопла. Эти конфигурации представлены на рис. 2. Исследовались схемы, в которых электроды ориентировались вдоль потока, по образующим цилиндра или конуса, так что ионный ветер возникал вдоль поверхности сопла перпендикулярно основному потоку. Также были испытаны кольцевые электроды, располагавшиеся на расстояние 1.5—5 см от среза сопла, которые создавали ионный ветер вдоль основного потока струи. Кроме того, была использована конфигурация с зубчатым электродом по аналогии с шевронной геометрией, при этом зубцы располагались как вдоль потока, так и навстречу ему.
Были проведены измерения скорости газового потока, создаваемого актуатором, смонтирован-
ным в сопле с помощью трубки Пито. Для ее изготовления был использован стеклянный капилляр с внутренним диаметром 0.5 мм и внешним
2 мм. Измерялись скорости газового потока как вдоль поверхности, так и в п
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.