2.14. Многочастотное акустическое возбуждение струи. Субгармонический резонанс

Стремление повысить эффективность акустического возбуждения турбулентных струй привело к попыткам воздействовать на струю несколькими акустическими сигналами разных частот. В случаях, когда эти частоты выбраны произвольно, такое воздействие по существу эквивалентно изменению спектрального состава акустических возмущений, воздействующих на слой смешения в выходном сечении сопла, что эквивалентно нарушению гармоничности акустического сигнала. Попытка такого двухчастотного возбуждения струи [2.67] показала, что при этом удается несколько интенсифицировать смешение при низких частотах.

(кликните для просмотра скана)

Рис. 2.50. Изотахи в поперечном сечении струи при ее акустическом возбуждении спиральными волнами при Изотахи от до через

На рис. 2.54 представлена зависимость в точке на оси (кривая 1) от числа Струхаля продольного одночастотного акустического облучения ) с уровнем Там же представлены кривые 2 и 3, соответствующие продольному облучению струи акустическими сигналами двух постоянных частот При этом в случае двухчастотного возбуждения уровень звукового давления на срезе сопла был равен соответствующему уровню при исходном одночастотном облучении. Как следует из рис. 2.54, такое двухчастотное возбуждение оказывается эффективным только при

Гораздо более эффективным представляется многочастотное (в простейшем случае - двухчастотное) возбуждение струи или слоя смешения на кратных частотах (на фундаментальной частоте и ее субгармониках) при фиксированных сдвигах фаз.

Рис. 2.51. Изотахи в поперечном сечении струи при ее акустическом возбуждении спиральными волнами при Изотахи от до через

(кликните для просмотра скана)

Рис. 2.54. Зависимости в точке на оси струи при продольном акустическом одночастотном возбуждении, при двухчастотном акустическом облучении

Как указывалось в главе 1, процесс спаривания вихрей в слое смешения, связанный с ростом субгармоники, является следствием так называемого субгармонического резонанса - нелинейного взаимодействия между волнами с частотой и субгармонической частотой

Таким образом, регулирование эффекта субгармонического резонанса может быть использовано для управления спариванием вихрей и, как следствие, турбулентным смешением за счет выбора параметров управления - числа Струхаля, отношения частот (1/2, 1/4, 1/8), амплитуд сигналов и, наконец, сдвига их фаз.

Рассмотрим примеры реализации такого воздействия на слой смешения. Так, в [2.45] исследовано двухчастотное возбуждение слоя смешения, образующегося за пластиной с ламинарным пограничным слоем (формпа-раметр на задней кромке Слой смешения облучался на двух частотах - на основной частоте и ее субгармонике

При этом собственная частота нестабильности - число Струхаля уровни возбуждения на основной частоте и ее субгармонике составили при переменном сдвиге фаз 180°.

На рис. 2.55 представлены зависимости от начального сдвига фаз в сечениях и 140, иллюстрирующие сильную зависимость интенсивности субгармоники от При принимает критическое значение при

Аналогичные результаты, иллюстрирующие важную роль сдвига фаз при двухчастотных и трехчастотных акустическом возбуждении слоя смешения струи на основной частоте и ее субгармониках в пределах получены в работах 2.57,2.60].

Рис. 2.55. (см. скан) Зависимости от начального сдвига фаз двухчастотного акустического возбуждения в сечениях плоского слоя смешения

В этих работах показано, что такое возбуждение позволяет в широких пределах управлять законом утолщения слоя смешения.

В работах рассмотрено влияние двухчастотного акустического возбуждения струи при низких частотах, что позволило изучить эффект интенсификации смешения. Остановимся на изложении результатов двух последних работ. В [2.57] изучено низкочастотное акустическое возбуждение турбулентной струи осевой и азимутальной модами, причем

частота азимутальной моды в два раза меньше частоты осевой моды. Схема экспериментальной установки показана на рис. 2.56. Азимутальные возмущения создавались четырьмя или двумя излучателями, сдвиг фаз между которыми составлял соответственно 90° и 180°. Диаметр выходного сечения сопла скорость истечения соответственно число Рейнольдса Начальная турбулентность в центре выходного сечения сопла Число Струхаля Азимутальные возмущения осуществлялись при включении двух противоположных динамиков со сдвигом фаз 180°.

На рис. 2.57 представлены фотографии течения в струе при Такое комбинированное возбуждение струи приводит к заметному росту ее угла раскрытия. Еще более драматическое расширение струи зафиксировано при (нулевая мода) и (при двухмодовом возбуждении), когда угол расширения струи достигает 70°. Для этих условий на рис. 2.58 показана зависимость угла раскрытия струи а от амплитуд азимутального и осевого возбуждения. Угол а возрастает от 24° до

Очень интересные результаты двухчастотного низкочастотного возбуждения турбулентных струй получены в [2.60]. Здесь исследовано двухчастотное низкочастотное возбуждение струи с числами Струхаля и 0,2, 0,6 и 0,3, 0,8 и 0,4 при и 0,45 для разных амплитуд

Рис. 2.56. Схема экспериментальной установки для исследования турбулентной струи, возбужденной осевой и азимутальной модами. 1 - излучатель, 2 - пористый цилиндр, 3 - воздух, 4 - хонейкомб, 5 - дым, 6 — сопло - излучатели

Рис. 2.57. Фотографии течения в струе при одномодовом и двухмодовом акустическом возбуждении (лазерный метод) а) Продольное одночастотное акустическое возбуждение б) Двухчастотное двухмодовое акустическое возбуждение

основной частоты и ее субгармоники и сдвиге фаз который изменялся с шагом 45° В качестве примера на рис 2 59 представлены изменения осевой скорости вдоль оси струи для невозбужденной струи, а также при двухчастотном возбуждении с числами 0,6

Рис. 2.58. Зависимость угла раскрытия струи а от амплитуды трансверсального возбуждения при двух значениях амплитуды осевого возбуждения

Рис. 2.59. Изменение скорости вдоль оси струи и толщины потери импульса вдоль по потоку при двухчастотном продольном акустическом возбуждении для при сдвиге фаз - невозбужденная струя,

Струхаля 0,4 и 0,2, 0,6 и 0,3, 0,8 и 0,4 при одинаковой амплитуде и сдвиге фаз Там же приведены аналогичные изменения вдоль по потоку толщины потери импульса Отсюда следует, что двухчастотное акустическое возбуждение намного эффективнее одночастотного. Другой важный вывод этой работы состоит в том, что при высоких уровнях фундаментального и субгармонического возбуждения усиление субгармоники не зависит от начального сдвига их фаз.

Следует отметить одну особенность рассмотренных выше работ. Она состоит в том, что при двухчастотном акустическом возбуждении турбулентной струи на основной частоте и ее субгармонике удается добиться существенного эффекта управления аэродинамическими характеристиками струи только при низких частотах. Здесь двухчастотное акустическое возбуждение приводит к существенной интенсификации смешения по сравнению с одночастотным возбуждением. Заметное ослабление турбулентного смешения в струе при ее высокочастотном двухчастотном акустическом возбуждении по сравнению с одночастотным возбуждением в рассмотренных работах не было зафиксировано. Ряд экспериментальных исследований такого возбуждения были проведены лишь на участке струи протяженностью

В связи с этим нами было проведено специальное исследование [2.18] с целью выяснения возможности повышения эффективности двухчастотного поперечного акустического возбуждения струи по сравнению с одночастотным как при низких частотах (интенсификация смешения), так и при высоких частотах (ослабление смешения). Некоторые результаты этого

исследования приводятся ниже при для низкочастотного и 0,8) и высокочастотного и 6; 3,5 и 7,8) возбуждения при сдвиге фаз При этом уровне возбуждения при одночастотном и двухчастотном возбуждении были одинаковыми, где уровень звукового давления вблизи выходной кромки сопла.

На рис. 2.60 представлены измеренные при отсутствии струи осциллограммы и спектры пульсаций давления вблизи выходной кромки сопла при Гц и Гц и Гц, Гц для сдвигов фаз Как следует из приведенных спектров, такое возбуждение можно полагать двухчастотным, так как интенсивность двух основных частот примерно на превышает интенсивность их гармоник.

О влиянии сдвига фаз при и 0,8; и и 7,8 можно судить по рис. 2.61, где представлено отношение в точке на оси струи. Отсюда следует, что сдвиг фаз является существенным параметром только при низких частотах возбуждения и 0,8). При двухчастотном высокочастотном возбуждении и 7,8) изменение сдвига фаз в пределах 360° не оказывает заметного влияния на эффект возбуждения.

На рис. 2.62 представлены зависимости в точке на оси

Рис. 2.60. Осциллограммы и спектры пульсаций давления при двухчастотном возбуждении с частотами Гц и Гц, Гц и Гц со сдвигом фаз

Рис. 2.61. Зависимости отношения скоростей в точке на оси струи от сдвига фаз при двухчастотном акустическом возбуждении при и и 7,8

Рис. 2.62. Изменение отношения скоростей в точке на оси струи при двухчастотном акустическом возбуждении в зависимости от меньшего из двух чисел Струхаля. 1 - одночастотное возбуждение, 2 - двухчастотное возбуждение при двухчастотное возбуждение при

струи от меньшего из чисел Струхаля при двухчастотном акустическом возбуждении при и сдвиге фаз и 145°, а также при одночастотном возбуждении. Отсюда следует, что при низких частотах двухчастотное акустическое возбуждение оказывается эффективнее одночастотного; при высокочастотном возбуждении двухчастотное и одночастотное возбуждения дают практически совпадающие результаты. На рис. 2.63 приведено изменение вдоль оси струи на участке протяженностью 10 калибров средней скорости и продольных пульсаций скорости при отсутствии акустического возбуждения, при одночастотном возбуждении, а также при двухчастотном возбуждении со сдвигом фаз и 145° для

низкочастотного и 0,8) и высокочастотного и 7,8) возбуждения. Эти результаты наглядно демонстрируют эффективность двухчастотного возбуждения струи по сравнению с одночастотным при низких частотах и, наоборот, - неэффективность при высоких частотах.

Рис. 2.63. Изменение средней скорости и среднеквадратичных значений пульсаций скорости вдоль оси струи для невозбужденной струи одночастотного возбуждения (2), двухчастотного возбуждения при сдвиге фаз