3.4. О механизмах генерации шума дозвуковыми турбулентными струями

Когерентные крупномасштабные структуры эффективно излучают шум, так как в процессе своего движения по потоку они существенно изменяются вследствие их утолщения, спаривания и последующего разрушения.

Изменение акустических характеристик струи при ее тональном возбуждении обусловлено, главным образом, восприимчивостью когерентных структур к периодическому возбуждению. При этом в начальном участке струи происходит локализация мест спаривания и разрушения когерентных структур и, соответственно, изменяется положение источников шума. Что касается непосредственного местоположения источников шума в начальном участке струи, то до настоящего времени по этому вопросу нет единого мнения.

Согласно одной точке зрения [3.21,3.23], основные источники шума расположены в местах попарного слияния кольцевых вихрей (см. гл.1). Другая точка зрения [3.15] состоит в том, что именно разрушение азимутальной однородности тороидальных вихрей, образование азимутально распределенных субструктур и взаимодействие этих структур ответственны за генерацию большей части шума струи. В рамках этой гипотезы могут быть объяснены эффекты изменения широкополосного шума струи при ее акустическом облучении. Так, поскольку низкочастотное возбуждение усиливает нулевую моду и задерживает развитие высших азимутальных мод и, следовательно, образование азимутальных лепестков, то более интенсивное образование структур и их взаимодействие ближе к концу начального участка способствует усилению широкополосного шума струи [3.18]. Наоборот, высокочастотное возбуждение усиливает развитие высших азимутальных мод в начальном участке струи, вследствие чего интенсивность образования азимутальных лепестков вообще ослабляется и, как следствие, происходит уменьшение широкополосного шума.

Разработанные к настоящему времени методы расчета шума дозвуковых турбулентных струй базируются на использовании акустической аналогии Лайтхилла, согласно которой общее неоднородное волновое уравнение может быть представлено в виде уравнения распространения звука в покоящейся среде, находящейся под действием внешнего поля напряжений Лайтхилл предложил рассматривать как эквивалентное распределение акустических источников, излучающих звук в неподвижную среду.

Для моделирования тензора Лайтхилла в невозбужденных струях используются либо экспериментальные характеристики турбулентного потока (профили средней и пульсационных скоростей, нормальные и сдвиговые напряжения Рейнольдса, пространственно-временные характеристики поля пульсаций скорости), либо соотношения полуэмпирической теории турбулентности - алгебраические и дифференциальные модели турбулентности [3.7]. При этом когерентные структуры явно не учитываются, хотя используется эмпирическая формула (см. главу 1) для характерной частоты пульсаций скорости в слое смешения, которая эквивалентна предположению, что в конце начального участка число Струхаля Известны также попытки прогнозирования шума турбулентных струй на основе изучения поля завихренности в струе методом дискретных вихрей

Можно полагать, что некоторые из этих методов, основанных на использовании уравнений Рейнольдса, замкнутых с помощью дифференциальных моделей турбулентности, или метода дискретных вихрей, могут быть

обобщены на случай периодически возбужденных струй. Для этого потребуется изучить их нестационарные характеристики при наличии периодического возбуждения с выделением когерентных структур.

Фокс Вильяме и Кемптон [3.14] предприняли попытку смоделировать тензор Лайтхилла таким образом, чтобы можно было объяснить эффект увеличения или уменьшения широкополосного шума струи при ее низкочастотном или высокочастотном акустическом возбуждении. Авторы рассмотрели две схемы шумообразования в начальном участке струи, основанные либо на волновой модели течения, либо на модели попарного слияния вихрей, причем в каждую из этих моделей вводился элемент случайности.

В первой модели предполагалось, что шум генерируется при разрушении волны неустойчивости, во второй - в процессе спаривания вихрей. Обе модели хорошо описывают рост широкополосного шума струи при ее низкочастотном возбуждении, а первая из них - и обратный эффект, т.е. уменьшение широкополосного шума струи при высокочастотном возбуждении. В этом последнем случае ближе к соплу разрушаются высокочастотные волны; разрушаясь, они задерживают рост последующих волн, являющихся потенциальными источниками шума.

В работе [3.20] исследован шум, излучаемый отдельными участками возбужденной струи, и вклад отдельных мод в общий уровень шума. При этом использовалась нетрадиционная методика измерений. Решетка микрофонов перемещалась вдоль оси струи, охватывая цилиндрическую поверхность, простирающуюся в дальнем поле струи до 50 калибров от среза сопла. Предложенный метод позволил выделить три квадрупольные составляющие в изотропном среднем звуковом поле возбужденной турбулентной струи и провести локализацию источников на начальном участке. Анализ спектров отдельных азимутальных составляющих в узких полосах частот показал, что аналогичную структуру имел бы шум от отдельных вихревых образований, локализованных в зависимости от частоты на разных расстояниях от срезе сопла. Это подтверждает представления о важной роли крупномасштабных структур в общем шуме возбужденной струи.

Литература

(см. скан)

(см. скан)