ПРЕДИСЛОВИЕ

Предлагаемая вниманию читателей книга посвящена проблеме воздействия акустических колебаний на турбулентные струи. В ней подытожены многолетние экспериментальные исследования авторов, а также других исследователей - отечественных и зарубежных - по разработке акустических методов управления аэродинамическими и акустическими характеристиками дозвуковых и сверхзвуковых газовых струй.

Необходимо отметить, что чувствительность ламинарных струйных течений к воздействию звука известна уже 140 лет. Это явление впервые было обнаружено на вечерах камерной музыки, когда присутствовавший на них врач (Леконт,1858 г.) заметил, что пламя свечи колеблется в такт со звуком виолончели, так что "глухой мог видеть гармонию". Вскоре, однако, было показано (Тиндаль, 1867 г.), что и при отсутствии горения ламинарная струя становится чувствительной к звуку Объяснение этого эффекта было дано Релеем (1886 г.) на основе исследования гидродинамической неустойчивости слоя смешения,

В 1967 году Е.В.Власовым и А.С.Гиневским было установлено, что слабое акустическое возбуждение дозвуковой турбулентной струи позволяет в достаточно широких пределах управлять интенсивностью турбулентного смешения. Оказалось, что в зависимости от частоты акустического воздействия могут быть реализованы два эффекта: интенсификация турбулентного смешения в струе при низкочастотном акустическом воздействии и ослабление турбулентного смешения при высокочастотном акустическом возбуждении, частота которого на порядок превышает частоту низкочастотного облучения. В 1979 году в Государственном реестре открытий СССР было зарегистрировано открытие № 212 "Явление акустического ослабления турбулентности в дозвуковых струях" с приоритетом от 31 марта 1967 года (авторы - Е.В.Власов и А.С.Гиневский).

Упомянутые работы положили начало своеобразному буму в исследовании проблемы управления турбулентными струями и слоями смешения путем воздействия на них акустических колебаний. Появились многочисленные публикации отечественных и зарубежных ученых, в которых исследовались оба эффекта. Отметим наиболее ранние из них. Реализация обоих эффектов - интенсификация и подавление турбулентности в струях - была подтверждена в работах С.И.Исатаева и С.Б.Тарасова (1971 г.) и D.O. Rockwellа (1972 г.). В.И.Фурлетов (1969 г.) и S.C.Crow и F.H.Champagne (1971 г.) исследовали интенсификацию смешения в струе при ее

низкочастотном акустическом возбуждении. R.A.Petersen, R.E.Kaplan и J.Laufer (1974 г.) зафиксировали подавление турбулентности в струе при ее высокочастотном акустическом облучении; позднее этот эффект был подробно изучен в работе К.В.М.А. Zamana и A.K.M.F. Hussaina (1980 г.).

В последующих работах ряда авторов было показано, что оба эффекта изменения аэродинамических характеристик турбулентных струй при их акустическом возбуждении сопровождаются соответствующими изменениями акустических характеристик: при низкочастотном возбуждении происходит усиление широкополосного шума струи (D.Bechert, E.Pfizenmaier, 1976,1977, C.J.Moore, 1977); при высокочастотном возбуждении - ослабление широкополосного шума (C.J.Moore, V.Kibens,1980).

В последние 3-4- десятилетия произошли существенные изменения в понимании природы турбулентности в свободных струях, слоях смешения, следах и пристеночных течениях, связанные с открытием крупномасштабных когерентных структур. Когерентные структуры - это крупномасштабные периодические вихревые образования, которые возникают вследствие неустойчивости слоев смешения, развиваются и взаимодействуют друг с другом на фоне мелкомасштабной турбулентности. Эти структуры имеют масштабы, соизмеримые с поперечным размером слоя смешения, и характеризуются достаточно большим временем существования. Интерес к изучению когерентных структур обусловлен их важной ролью в процессе турбулентного перемешивания, горения и генерации аэродинамического шума. Наиболее важным аспектом существования этих структур в струйных течениях является возможность управления турбулентностью с помощью прямого воздействия на эти структуры.

Важным достижением в исследовании турбулентности за этот период явилась также разработка эффективных численных методов математического моделирования нестационарных трехмерных турбулентных течений с использованием ЭВМ и учетом возникающих в этих течениях когерентных структур.

В настоящей книге исследование акустических методов управления турбулентными струйными течениями увязывается с изучением когерентных структур и иллюстрируется примерами их математического моделирования. Рассматриваются также примеры практического использования акустического управления турбулентными струйными течениями. Результаты исследования авторов опубликованы в большом числе статей в отечественных и зарубежных изданиях, они докладывались на ряде отечественных и зарубежных конференций.

Книга рассчитана на научных работников, аспирантов, студентов старших курсов физико-технических специальностей и инжнерно-технических работников, занимающихся исследованием и практическим использованием акустических методов управления аэродинамическими и акустическими характеристиками турбулентных струйных течений.

В ней подводятся итоги исследований акустического возбуждения турбулентных струй, выполненных авторами, их учениками и сотрудниками.

В книге также нашли отражение достижения отечественных и зарубежных ученых по данной проблеме. Самостоятельный интерес представляет обширная библиография экспериментальных и теоретических исследований периодического и, в первую очередь, акустического возбуждения турбулентных струйных течений, а также исследований когерентных структур в начальном участке струи.

Остановимся вкратце на содержании каждой из десяти глав книги. В первой главе рассмотрены основные закономерности распространения дозвуковых турбулентных струй и освещены важная роль когерентных структур в процессах турбулентного смешения и их основные характеристики - частота, скорость конвекции и процессы взаимодействия (спаривания); их зарождение, развитие и разрушение в конце начального участка. Кратко описаны представления о глобальном механизме обратной связи в пределах начального участка, обусловленном спариванием когерентных структур. Рассмотрена связь когерентных структур с гидродинамической неустойчивостью струйных течений. Освещены проблема генерации аэродинамического шума дозвуковых турбулентных струй и роль когерентных структур в формировании ближнего и дальнего акустического поля струи. Изложены существующие представления о местоположении основных источников шума в пределах начального участка струи.

Указаны аэродинамические, акустические и геометрические параметры, характеризующие начальные условия истечения и определяющие закономерности распространения струи и ее восприимчивость к различного рода периодическим возмущениям. Дана классификация акустических методов управления турбулентных струй (пассивных и активных).

Вторая глава посвящена экспериментальному исследованию воздействия слабых акустических гармонических возмущений на аэродинамические характеристики турбулентных струй. Продемонстрированы интенсификация перемешивания (генерация турбулентности) при низкочастотном возбуждении и ослабление перемешивания (подавление турбулентности) при высокочастотном возбуждении. Излагаются результаты исследования влияния уровня акустического возбуждения, режима течения в начальном пограничном слое на срезе сопла и начальной турбулентности на реализацию обоих эффектов - интенсификации и ослабления перемешивания.

Здесь показано, что при низкочастотном возбуждении возрастание его уровня усиливает эффект, после чего наступает насыщение, и дальнейшее увеличение его уровня не приводит к интенсификации смешения. При высокочастотном возбуждении увеличение его уровня вначале усиливает эффект подавления турбулентности, а затем с ростом уровня возбуждения эффект ослабляется и наблюдается тенденция к смене знака воздействия, т.е. вместо ослабления перемешивания достигается его интенсификация. Далее излагаются результаты экспериментального исследования деформации поперечного сечения первоначально круглой струи при ее низкочастотном поперечном акустическом возбуждении - сечения струи становятся овальными, вытянутыми в направлении облучения. Рассмотрено также

воздействие акустических возмущений на круглую турбулентную струю, истекающую из диафрагмы с острой кромкой.

Акустическое возбуждение струи сопровождается генерацией слабых вибрационных возмущений. Специальное исследование показало, что эти вибрации сами по себе не оказывают сколько-нибудь заметного влияния на аэродинамические характеристики струи. Вместе с тем генерация интенсивных вибрационных возмущений позволяет реализовать оба эффекта, которые обнаруживаются при акустическом возбуждении: интенсификации и ослабления перемешивания.

Излагаются результаты акустического возбуждения высокоскоростных (околозвуковых) турбулентных струй при очень высоких уровнях гармонического возбуждения. И здесь обнаруживается упомянутый выше эффект интенсификации смешения при низких частотах возбуждения; при высоких частотах эффект ослабления перемешивания здесь не реализуется. Рассмотрены последствия акустического возбуждения турбулентных струй: изменение модовош состава турбулентных пульсаций, локализация мест спаривания когерентных структур. Анализируются механизмы акустического возбуждения струи.

В заключение рассмотрено влияние спутного потока на интенсификацию смешения при низкочастотном акустическом возбуждении струи, а также акустическое возбуждение неизотермических затопленных газовых струй. Излагаются также различные способы повышения эффективности акустического возбуждения турбулентных струй: поперечное акустическое возбуждение струи двумя излучателями, расположенными по обе стороны струи, на одинаковой частоте в фазе и противофазе; многочастотное акустическое возбуждение струи на основной частоте и ее субгармониках при специально подобранном сдвиге фаз; возбуждение струи звуком высших азимутальных мод; акустическое возбуждение струи при нарушении гармоничности воздействующего сигнала.

Третья глава содержит результаты экспериментальных исследований влияния акустических возмущений на генерацию аэродинамического шума дозвуковых струй. Рассмотрено влияние начальных условий истечения, модового состава акустического возбуждения и когерентных структур на шум изотермических и неизотермических турбулентных струй в ближнем и дальнем поле.

В четвертой главе анализируется воздействие интенсивных низкочастотных акустических возмущений на дозвуковые струи. В частности, показано, что в таких струях попарное слияние кольцевых вихрей в пределах начального участка не реализуется.

Пятая глава посвящена анализу самовозбуждения дозвуковых турбулентных струйных течений. В частности, рассмотрено образование автоколебаний потока при нормальном и косом натекании околозвуковых турбулентных струй на экран, а также в низкоскоростных аэродинамических трубах с открытой рабочей частью; указаны известные методы подавления этих автоколебаний.

В шестой главе рассмотрены современные методы численного моделирования дозвуковых турбулентных струй при наличии их периодического возбуждения, причем особое внимание уделено их способности описать обнаруженные в экспериментах закономерности (интенсификация и ослабление перемешивание при низкочастотном и высокочастотном возбуждении, эффект насыщения с ростом уровня возбуждения при низкочастотном облучении, смена знака воздействия с ростом уровня возбуждения при высокочастотном возбуждении).

Глава седьмая содержит краткое описание аэродинамических и акустических характеристик сверхзвуковых неизобарических турбулентных струй, процессов образования широкополосного шума и его дискретных составляющих, а также методов управления такими струями (активных -при акустическом их возбуждении, пассивных - когда шум самой струи при экранировании используется для ее облучения).

Восьмая глава посвящена исследованию методов снижения шума струй турбореактивных двигателей. Рассмотрена струйная система для снижения шума околозвуковых реактивных струй авиационного двигателя, состоящая из основной центральной струи и окружающих ее малоразмерных струек, высокочастотный шум которых воздействует на центральную струю. На примере модельных и натурных экспериментов продемонстрирована эффективность такого метода снижения шума струи, которое достигает 2 - 3 дБ в дальнем поле и 4 - 5 дБ в ближнем поле. На основе анализа зарубежных и отечественных экспериментов рассмотрены методы снижения избыточного шума ТРД, обусловленного аэроакустическим взаимодействием, при котором низкочастотный шум камеры сгорания, компрессора и турбины возбуждает реактивную струю. Показано, что аналогичная струйная система позволяет заметно снизить широкополосный шум сверхзвуковых неизобарических струй (на 5-6 дБ) и, главное, подавить его дискретную составляющую (15 - 20 дБ) или сместить ее в область высоких частот.

В девятой главе излагаются акустические методы управления автоколебаниями в аэродинамических трубах с открытой рабочей частью. Рассмотрены подавление автоколебаний при высокочастотном возбуждении слоя смешения и их генерация при низкочастотном акустическом возбуждении и, наконец, подавление автоколебаний с помощью антишума.

Последняя, десятая глава посвящена взаимодействию слоя смешения с полостью. Здесь, как и в пятой главе, все эффекты определяются акустической обратной связью. Рассмотрен ряд практических приложений, связанных с уменьшением пульсаций давления в полостях при их отрывном обтекании, в рабочей части околозвуковых аэродинамических труб с перфорированными стенками закрытой рабочей части, в тупиковых отростках газопроводов.

Ограниченный объем книги вынудил авторов отказаться от включения в нее некоторых важных разделов. Это, прежде всего, относится к проблеме акустического управления турбулентными струями при наличии химических реакций и горения, турбулентными следами и их

когерентными структурами. Не рассмотрены также пристенные турбулентные струи, кольцевые струи, плоские струи. Некоторые из этих проблем освещены в обзоре Е.В.Власова и А.С.Гиневского (1986 г.).

На разных этапах проведения исследований по этой тематике авторы пользовались поддержкой и поощрением академиков Г.П.Свищева и В.В.Струминского. Мы считаем своим приятным долгом выразить признательность профессору А.Г.Мунину за внимание к нашей работе.

В период с 1993-й по 2000-й годы исследования по данной проблеме велись авторами при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (Гранты 93-013-17713, 94-01-01135, 96-01- 00037, 96-02-19577, 99-01-00131, 00-01-00152).

Большую помощь авторам при подготовке компьютерного варианта книги оказали Т.С. Петровская, Г.А. Вишневский и М.В. Караджи. Всем им авторы выражают искреннюю благодарность.