2.9. Изменение модового состава турбулентных пульсаций при акустическом возбуждении струи. Локализация мест спаривания и разрушения когерентных структур при акустическом возбуждении струи. Механизмы акустического возбуждения струи

Рассмотрим изменение модового состава турбулентных пульсаций в начальном участке турбулентной струи при ее акустическом возбуждении. На рис. 2.34 представлены зависимости азимутальной корреляции продольных пульсаций скорости на внутренней границе слоя смешения струи при ее продольном акустическом облучении с безразмерными частотами и 3,7 и в отсутствие возбуждения Здесь же справа представим модовое разложение для указанных чисел Струхаля. Видно, что низкочастотное воздействие приводит к заметному усилению нулевой моды и ослаблению всех остальных мод. Высокочастотное воздействие, наоборот, приводит к некоторому снижению вклада нулевой моды и соответствующему увеличению вклада первой моды и мод более высокого порядка [2.15].

Качественно подобная картина наблюдается и при измерениях в слое смешения, однако, количественные изменения вклада различных мод при акустическом возбуждении струи здесь существенно меньше, чем в ядре, что, по-видимому, связано с влиянием мелкомасштабных пульсаций скорости. Таким образом, увеличение вклада нулевой моды при низкочастотном продольном акустическом возбуждении струи соответствует стабилизации тороидальных вихревых структур в слое смешения; высокочастотное возбуждение приводит к ослаблению тороидальных структур и усилению первой моды.

При отсутствии периодического возбуждения струи места образования

Рис. 2.34. Изменение азимутальной корреляции в окружном направлении Модовое разложение для трех чисел Струхаля и

(кликните для просмотра скана)

крупных вихрей в слое смешения и их последующего спаривания подвержены статистическому разбросу, вследствие чего характерные частоты и другие параметры (толщина струи, средняя скорость) плавно изменяются вдоль по потоку. Акустическое возбуждение струи локализует местоположения образования, спаривания и разрушения крупных вихрей. Это иллюстрируется приведенными на рис. 2.35 экспериментальными зависимостями при высокочастотном акустическом возбуждении струи [2.48]. Здесь после каждого спаривания число Струхаля уменьшается в два раза, причем место спаривания четко фиксируется в пространстве.

О локализации мест спаривания когерентных структур при акустическом возбуждении струи свидетельствуют также весьма тщательные эксперименты с турбулентной струей при ее высокочастотном радиальном акустическом возбуждении [2.49]. Основные параметры струи На рис. 2.36 приведены изменения вдоль по потоку толщины потери импульса на участке при наличии и отсутствии акустического возбуждения. Обращает на себя внимание немонотонный характер изменения толщины потери импульса в в отличие от плавного ее нарастания вдоль по потоку при отсутствии акустического возбуждения.

Аналогичная картина наблюдается также при построении линий равных значений пульсаций скорости и рейнольдсовых напряжений сдвига. На рис. 2.37 представлены линии равных значений рейнольдсовых напряжений сдвига в турбулентной струе [2.46] при отсутствии акустического возбуждения, а также при низкочастотном возбуждении, когда

Подобные результаты были получены также в [2.15] для линий равных значений в слое смешения при отсутствии возбуждения при низкочастотном и высокочастотном возбуждении (рис. 2.38). Необходимо отметить [2.43], что в опытах с искусственным возбуждением струи полный контроль над течением удается сохранить не более чем в течение первых нескольких первых слияний вихрей, после чего сфазированность не сохраняется.

Рассмотрим теперь механизмы реализации интенсификации/ослабления турбулентного смешения в струях при низкочастотном/высокочастотном акустическом возбуждении. Самым чувствительным участком струи является слой смешения вблизи кромки сопла именно здесь периодическое возбуждение генерирует вихри, которые в конечном счете определяют усиление или ослабление перемешивания.

Для объяснения явления интенсификации перемешивания в турбулентных струйных течениях при низкочастотном периодическом возбуждении ) рассматривается влияние возбуждения на тонкий слой смешения в непосредственной близости от сопла. Эксперименты показывают,

Рис. 2.37. Линии равных значений рейнольдсовых напряжений сдвига в начальном участке струи при и 0,85

что низкочастотные возмущения модулируют исходные высокочастотные возмущения в слое смешения вблизи сопла, что в конечном счете приводит к более раннему образованию крупномасштабных когерентных структур и их последующему более интенсивному, по сравнению с невозбужденной струей, росту [2.9].

Перейдем теперь к рассмотрению возможных механизмов реализации эффекта ослабления перемешивания при высокочастотном периодическом возбуждении. Применительно к начальному ламинарному пограничному слою известно, что максимальное воздействие периодических возмущений на неустойчивый слой смешения наблюдается в диапазоне частот, соответствующем максимальным инкрементам роста возмущений вблизи кромки сопла [2.69]. Согласно линейной теории устойчивости [2.53], максимум инкремента достигается при

При возбуждении слоя смешения на частоте, соответствующей этому числу замедляется нарастание субгармонических возмущений, так как при этом увеличивается отношение амплитуды основной гармоники к амплитуде субгармонических возмущений, что приводит к сужению области

Рис. 2.38. Линии равных значений рейнольдсовых напряжений сдвига в начальном участке струи при и 3,7

их резонансного взаимодействия и, как следствие, к замедлению развития неустойчивости.

Механизм подавления пульсаций на оси струи при воздействии высокочастотных возмущений обусловлен быстрым ростом неустойчивости ламинарного слоя сдвига вблизи сопла и, следовательно, сворачивание в вихри и их последующее разрушение происходит на более коротком участке, чем при отсутствии возбуждения. Этим как бы задерживается или ослабляются последующие попарные слияния вихрей [2.69].

Это утверждение подвергается сомнению в [2.34] на том основании, что тогда уровни пульсаций на оси струи при акустическом возбуждении должны принимать некоторое промежуточное значение между крайними значениями, соответствующими начальным ламинарному и турбулентному пограничным слоям без возбуждения; как следует из эксперимента [2.17], это не имеет места.

Несколько иное объяснение рассматриваемого эффекта, одинаково пригодное для начальных ламинарного и турбулентного пограничных слоев, дано в [2.33]. Оно сводится к тому, что при высокочастотном возбуждении в слое смешения вблизи сопла генерируются последовательно расположенные кольцевые вихри, расстояние между которыми определяется частотой возбуждения и скоростью истечения. Это приводит к тому, что в указанной области слоя смешения под действием высокочастотного звука происходит подавление роста низкочастотных возмущений, дающих основной вклад в энергию турбулентности. Эксперименты при низком начальном уровне турбулентности подтверждает этот вывод: инкременты низкочастотных возмущений, соответствующие числам Струхаля уменьшаются при Следовательно, генерируемая звуком мелкомасштабная модуляция завихренности вдоль слоя сдвига приводит к подавлению роста низкочастотных возмущений и стабилизации сдвигового

течения.

Описанные в [2.70] специально поставленные опыты показали, что механизм подавления турбулентности при высокочастотном возбуждении сдвиговых течений не может быть объяснен ни взаимодействием волн Толмина-Шлихтинга в пограничном слое сопла и волн Кельвина-Гельмгольца в слое смешения, ни турбулизацией начального пограничного слоя при акустическом возбуждении.

Механизмы воздействия акустических волн на нелинейное развитие трехмерных возмущений в затопленных струях исследованы в [2.24]. Авторами обнаружена «жесткая» неустойчивость струйных течений и слоев смешения по отношению к трехмерным конечно-амплитудным возмущениям типа «раностного» резонанса. Объяснен ряд явлений, связанных с аэроакустическим стабилизирующим и дестабилизирующим воздействием акустических волн на устойчивость и дальнобойность струй. Теоретический анализ проведен на базе трехмерных нестационарных уравнений Навье-Стокса без каких-либо дополнительных предположений при расчете как ламинарного, так и турбулентного течений.

Интересно отметить, что расчет плоской турбулентной струи на базе двухпараметрической модели турбулентности [2.1] показал что при уменьшении начального масштаба турбулентности происходит некоторое увеличение дальнобойности струи.