ГЛАВА 3. УПРАВЛЕНИЕ АКУСТИЧЕСКИМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ ДОЗВУКОВЫХ ТУРБУЛЕНТНЫХ СТРУЙ

3.1. Акустические характеристики ближнего и дальнего поля турбулентных струй при их акустическом возбуждении

Изменение осредненных и пульсационных аэродинамических характеристик потока в струе при ее акустическом возбуждении должно сопровождаться соответствующим изменением собственных акустических характеристик струи, которые определяются аэродинамическими параметрами течения (см. главу 1). Исследование этого явления представляет не только научный, но и практический интерес, так как оно открывает возможность целенаправленного управления акустическими характеристиками струи. Рассмотрим влияние гармонического акустического сигнала на изменение поля пульсаций давления в самой струе и в ее ближнем и дальнем акустических полях.

3.1.1. Ближнее акустическое поле и пульсации давления в струе. Подробные измерения пульсаций давления в акустически возбужденной струе были выполнены Ченом [3.11]. Им исследовано пространственное развитие пульсаций давления в круглой струе при продольном низкочастотном облучении. Начальный пограничный слой на срезе сопла был турбулентным, уровень звукового давления в выходном сечении сопла вблизи его кромки число Струхаля изменялось в пределах 0,26 - 0,85.

На рис. 3.1 показаны изменения пульсаций давления в струе вдоль по потоку на оси струи и в слое смешения (вдоль линии Здесь вдоль оси абсцисс отложены значения вдоль оси ординат отложены значения где среднеквадратичные значения пульсаций давления соответствуют Анализ этих зависимостей показывает, что возмущения давления распространяются от сдвигового слоя к оси струи, так как на оси они начинают расти не сразу при выходе из сопла, а на некотором расстоянии от него вниз по потоку. Максимум возмущений наблюдается на некотором расстоянии от сопла, а затем возмущения затухают. На рис. 3.2 приведены зависимости от числа Струхаля максимальных значений пульсаций давления на оси струи, в слое смешения и на внешней границе струи. Эти зависимости показывают, что низкочастотное продольное акустическое облучение струи приводит к изменению поля

(кликните для просмотра скана)

пульсаций давления внутри струи.

Аналогичным образом изменяются при акустическом воздействии на струю и характеристики ее ближнего звукового поля. Из представленных на рис. 3.3,а и 3.3,б спектров пульсаций давления, измеренных в третьок тавных полосах частот [3.2,3.4] в ближнем акустическом поле струи при ее низкочастотном и высокочастотном акустическом возбуждении, следует, что в первом случае возбуждение приводит к увеличению

Рис. 3.3. Спектры пульсаций давления в ближнем акустическом поле струи при низкочастотном и высокочастотном акустическом возбуждении. а - третьоктавные спектры; ; I - при акустическом воздействии, ; - необлученная струя третьоктавные спектры; ; - при акустическом воздействии, ; - необлученная струя в - узкополосные спектры Гц);

I - низкочастотное акустическое воздействие, ; - высокочастотное акустическое воздействие - необлученная струя

широкополосного шума (рис. 3.3,а), а во втором случае - к его уменьшению (рис. 3.3,б). Такие же результаты (рис. 3.3,в) были получены и при измерениях спектров шума струи в узких полосах частот Гц).

3.1.2. Дальнее акустическое поле струи. Рассмотрим влияние акустического возбуждения на дальнее звуковое поле турбулентных струй. Бехерт и Пфиценмайер в 1975 г. обнаружили, что при низкочастотном продольном акустическом возбуждении струи ) происходит усиление широкополосного шума в дальнем поле струи [3.9], причем это усиление может достигать Они же в 1977 г. получили аналогичный результат [3.10] при возбуждении струи спиральными волнами На рис. 3.4 приведены соответствующие узкополосные спектры для плоских и спиральных волн. В первом случае в суммарном шуме струи преобладают дискретные составляющие (шум на частоте возбуждения и ее гармониках), которые существенно превышают усиленный широкополосный шум струи.

Рис. 3.4. Узкополосные спектры шума в дальнем звуковом поле струи, а - возбуждение струи продольными акустическими волнами возбуждение струи спиральными волнами, - при акустическом воздействии, 2 - необлученная струя

Рис. 3.5. Относительные изменения уровня широкополосного шума в дальнем звуковом поле струи при ее облучении.

Во втором случае шум на частоте возбуждения и ее гармониках выделяются менее заметно.

Важные результаты при экспериментальном исследовании влияния акустического возбуждения струи на ее дальнее звуковое поле получил Мур [3.23]. Им были рассмотрены случаи как низкочастотного, так и высокочастотного возбуждения. Исследовались дозвуковые турбулентные струи с турбулентным пограничным слоем в выходном сечении сопла при продольном облучении плоскими волнами.

Наибольшее увеличение широкополосного шума было достигнуто при но также обнаружено некоторое снижение широкополосного шума при При этом среднеквадратичные значения пульсаций давления в звуковой волне на срезе сопла не превышали 0,08% от динамического давления. Автор отметил общность механизмов снижения широкополосного шума в дальнем поле струи и ослабления турбулентного перемешивания в струе при ее высокочастотном акустическом возбуждении со ссылкой на работу [3.1].

При низкочастотном акустическом возбуждении струи визуализировал поток и показал, что при частоте происходит существенная перестройка когерентных структур в начальном участке струи. На представлены полученные в работе [3.23] зависимости относительного изменения уровня широкополосного шума от числа Струхаля при разных числах Маха Здесь по оси ординат отложено относительное приращение широкополосного шума струи достигнутое за счет акустического воздействия, к приращению воздействующего на струю шума чистого тона Согласно этим зависимостям с ростом числа

Маха при низкочастотном акустическом возбуждении прирост уменьшается и при становится несущественным. При высокочастотном возбуждении В работе [3.23] было также показано, что при низкочастотном акустическом возбуждении наблюдается нарушение известного закона восьмой степени (рис. 3.6), который характерен для турбулентных струй при отсутствии акустического возбуждения (см. главу 1). Шум возбужденной струи пропорционален примерно шестой степени скорости ее истечения.

Рис. 3.6. Нарушение "закона восьмой степени" при акустическом облучении струи; необлученная струя, 2 - облучение струи звуком чистого тона с частотой Гц, Гц

Отмечается, что увеличение широкополосного шума струи реализуется, когда уровни возбуждающего акустического сигнала превосходят некоторое пороговое значение. При этом увеличение собственного широкополосного шума струи при возбуждении струи сигналом чистого тона сильнее, чем при возбуждении звуком с достаточно широкой полосой частот.

Для случая высокочастотного акустического возбуждения аналогичные результаты были получены в при малых дозвуковых скоростях.

Рис. 3.7. Узкополосные спектры шума в дальнем звуковом поле струи.

Было зафиксировано снижение широкополосного шума на при ([3.19], рис. 3.7,а) и на при ([3.16], рис. 3.7,б).

Хуссейном и Хасаном [3.16] исследовано влияние акустического облучения на низкоскоростные турбулентные струи при низкочастотном и высокочастотном возбуждении Пограничный слой в выходном сечении сопла был ламинарным. Результаты приведены на рис. 3.8 для в виде зависимостей от . В диапазоне наблюдалось повышение широкополосного шума струи на при снижение широкополосного шума достигало Здесь безразмерная частота воздействующего на струю акустического сигнала, подсчитанная по толщине потери импульса пограничного слоя на срезе сопла (число Струхаля).

На рис. 3.9 представлены результаты измерений спектров шума в дальнем поле турбулентных струй при их низкочастотном и высокочастотном возбуждении осесимметричными и спиральными акустическими волнами [3.4]. Здесь также зафиксировано повышение широкополосного шума при и его снижение при

Влияние уровня звукового сигнала (при низкочастотном возбуждении дозвуковой турбулентной, струи), на повышение широкополосного

Рис. 3.8. Безразмерные спектры шума в дальнем звуковом поле струи при низкочастотном и высокочастотном возбуждении

шума в дальнем акустическом поле иллюстрируется третьоктавными спектрами [3.8], приведенными на рис. 3.10.

В главе 2 было показано, что эффект ослабления турбулентности реализуется при вполне определенном диапазоне уровней звукового давления воздействующего высокочастотного акустического сигнала. При превышении некоторого предельного уровня знак воздействия изменяется и вместо ослабления турбулентности происходит ее генерация. По-видимому, при этом должно наблюдаться повышение широкополосного шума струи.

Для исследования этого случая был использован высокочастотный газоструйный излучатель, в котором источником шума служила щелевая струя, истекающая при сверхкритических перепадах давления и натекающая на резонатор [3.3]. Излучатель располагался таким образом, что его ось была перпендикулярна оси исходной струи, т.е. осуществлялось поперечное облучение струи. При этом удалось получить уровни излучаемого звука при частоте Гц; при скорости истечения струи и диаметре сопла это соответствует числу Струхаля Как показывают представленные на рис. 3.11 третьоктавные спектры шума струи, измеренные при 60°, 90°, высокочастотное облучение привело не к снижению, а к повышению широкополосного шума

струи в ее дальнем звуковом поле.

Таким образом, было надежно установлено изменение широкополосного шума турбулентных струй при их акустическом возбуждении. Дальнейшие исследования в этом направлении были посвящены уточнению полученных зависимостей, а также их обобщению на случай неизотермических струй, кольцевых струй и струй, распространяющихся в спутном потоке.