ГЛАВА 4. ВОЗДЕЙСТВИЕ НА ДОЗВУКОВУЮ СТРУЮ ИНТЕНСИВНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЗМУЩЕНИЙ

В предыдущих главах 2 и 3 было показано, как при воздействии слабых акустических возмущений можно осуществлять управление аэродинамическими и акустическими характеристиками дозвуковой турбулентной струи. В настоящей главе рассмотрены некоторые результаты экспериментального исследования воздействия интенсивных периодических и, в частности, акустических возмущений на аэродинамические характеристики турбулентной струи. Мы здесь не будем касаться энергетической выгодности такого способа управления турбулентными струями. Отметим лишь, что рядом авторов были выполнены экспериментальные исследования характеристик турбулентных струй с высокой интенсивностью периодического возбуждения. Однако сравнение результатов этих исследований затруднено тем обстоятельством, что периодический во времени закон модуляции расхода в струе определялся конструктивными особенностями устройств (прерывателей потока), создающих пульсации скорости в струе. Это обстоятельство затрудняет обобщение или сопоставление результатов опубликованных работ, так как структура течения в возбужденной струе, по-видимому, зависит от спектрального состава периодических пульсаций скорости и масштаба турбулентности в выходном сечении сопла. Отмеченное обстоятельство подтверждается существенными отличиями закономерностей распространения сильно возбужденных турбулентных струй, установленными в работах различных авторов

4.1. Высокоамплитудное низкочастотное периодическое возбуждение круглой струи и плоского слоя смешения

В работе [4.5] в широком диапазоне интенсивностей пульсаций скорости при выходе из круглого сопла 45%) был реализован синусоидальный закон модуляции расхода воздуха. Это подтверждается тем, что амплитуды гармоник и субгармоник периодических пульсаций были примерно на меньше амплитуды основного тона пульсаций. При этом средняя скорость истечения поддерживалась постоянной а частота Гц, что соответствует

Схема экспериментальной установки представлена на рис. 4.1. Геометрические параметры успокоительной камеры 1 были подобраны таким

образом, чтобы в рабочем диапазоне частот всю внутреннюю полость установки можно было считать простым акустическим резонатором (типа резонатора Гельмгольца). Все исследования велись при частотах пульсаций расхода воздуха, близких к собственной частоте резонатора. Этим обеспечивалось, во-первых подавление высших гармоник основного тона и, во-вторых, достижение больших амплитуд синусоидальных пульсаций скорости на выходе из сопла 5 при использовании электродинамического громкоговорителя 6 небольшой мощности.

Рис. 4.1. Схема экспериментальной установки.

1 - успокоительная камера, 2 - хонейкомб, 3 - детурбулизирующая сетка, 4 - патрубок для подвода воздуха, 5 - сопло, 6 - электродинамический громкоговоритель.

С помощью термоанемометра постоянного сопротивления были измерены средние скорости вдоль оси струи и в ее сечениях, продольные пульсации скорости, их спектры и фазовые скорости распространения гидродинамических волн вдоль оси струи. При этом из-за больших амплитуд скорости линеаризации выходного сигнала термоанемометра не осуществлялась, все параметры потока определялись с помощью градуировочной характеристики датчика термоанемометра. Термоанемометрические измерения при больших амплитудах связаны со значительной погрешностью, увеличивающейся с удалением от оси струи.

На рис. 4.2 и 4.3 представлены затухание средней скорости и изменение интенсивности пульсаций скорости вдоль оси струи при различных уровнях и частотах периодического возбуждения. Мы видим, что с ростом до 20 - 47% сильно возбужденная струя сначала затухает быстрее, чем невозбужденная, а затем (при медленнее. В связи с этим при средняя скорость на оси возбужденной струи превосходит скорость невозбужденной струи. Аналогичный эффект был ранее обнаружен в работе [4.6].

Анализ профилей скорости показал, что сильно возбужденная струя расширяется вниз по потоку интенсивнее, чем невозбужденная струя.

Рис. 4.2. Затухание скорости вдоль оси струи при различных частотах и уровнях периодического возбуждения.

При этом скорость конвекции вихревых структур вниз по потоку изменяется немонотонно; на некоторых участках струи она превосходит среднюю скорость течения. Следовательно, здесь крупные вихри, обгоняющие поток, должны тормозиться им и передавать ему свою энергию, т.е. в пульсирующей с высокой амплитудой струе реализуется механизм передачи энергии от пульсационного движения к осредненному. При этом отсутствуют парные слияния кольцевых вихрей, характерные для невозбужденных и слабовозбужденных струй. Это следует из результатов измерения мощности первых гармоник и субгармоник основного тона спектров регулярных колебаний в струе. Так, например, при сильном периодическом возбуждении мощность субгармоники очень мала и вниз по потоку практически не растет, что подтверждает отсутствие парных слияний.

Интересно отметить, что эффект немонотонного изменения скорости вдоль оси струи при ее низкочастотном высокоамплитудном гармоническом возбуждении подтверждается расчетом методом дискретных вихрей [4.1,4.5] плоских пульсирующих турбулентных струй.

Рис. 4.3. Изменение интенсивности пульсаций скорости вдоль оси струи. Обозначения те же, что и на рис. 4.2

Так, при анализе профилей рейнольдсовых напряжений сдвига было показано, что в сечениях, расположенных в окрестности аномального участка изменения скорости вблизи оси струи, рейнольдсовы напряжения сдвига меняют знак, т.е. энергия пульсационного движения передается среднему движению, что в конечном счете и обусловливает немонотонное изменение скорости вдоль оси струи (рис. 4.4, 4.5). Там скорость в выходном сечении сопла шириной изменялась по синусоидальному закону где амплитуда и частота пульсаций.

В работе [4.10] исследованы когерентные структуры в сильно возбужденном турбулентным слое смешения двух плоских потоков со скоростями причем Периодическое возбуждение потока осуществлялось закрылком, расположенным за разделяющей оба потока пластиной и совершающим угловые колебания по синусоидальному закону.

Рис. 4.4. Затухание скорости вдоль оси плоской турбулентной пульсирующей струи (расчет).

Рис. 4.5. Профили рейнольдсовых напряжений сдвига в плоской турбулентной струе,

Обнаружено немонотонное изменение толщины слоя смешения вдоль по потоку: вначале слой утолщается, затем утончается и, наконец, слабо утолщается. Показано, что на участке уменьшения вдоль по потоку толщины слоя (или толщины потери импульса в) порождение турбулентности становится отрицательным. Этот вывод согласуется с отмеченными выше аномальными особенностями сильно возбужденных турбулентных струй. Важно также отметить, что в описываемом эксперименте первая субгармоника наложенной частоты несущественна, что свидетельствует об отсутствии спаривания когерентных структур. Этот вывод подтверждается данными визуального исследования.

Описанные в [4.9] экспериментальные исследования турбулентной струи (число пограничный слой на срезе сопла - ламинарный) при отсутствии периодического возбуждения и при наличии осесимметричного периодического возбуждения с амплитудой, достигающей показали, что при высокоамплитудном низкочастотном

возбуждении струи процесс спаривания кольцевых вихрей реализуется неоднозначно.

Так, при процесс спаривания подавляется, в то время как при реализуется только одно спаривание вихрей; при и отсутствии возбуждения первое спаривание происходит в сечении второе - в сечении а при вихревые кольца разрушаются вследствие их азимутальной неустойчивости.