ГЛАВА 5. САМОВОЗБУЖДЕНИЕ ТУРБУЛЕНТНЫХ СТРУЙНЫХ ТЕЧЕНИЙ

5.1. Схемы самовозбуждения турбулентных струйных течений

В ряде случаев роль когерентных структур в струях и слоях смешения становится определяющей в отношении аэродинамических и акустических характеристик струйных течений. Это происходит при усилении акустической обратной связи, что наблюдается при реализации различного рода резонансов. Простейшим случаем подобного рода является истечение струи из ресивера (рис.5.1,а), являющегося резонатором с резонансными частотами, которые лежат в диапазоне чувствительности струи к периодическому возбуждению. При этом струя возбуждается без какого-либо внешнего источника звука [5.1].

Наиболее известным эффектом самовозбуждения струи является так называемый клиновый тон, который реализуется при натекании плоской струи или слоя смешения на клин или круглой струи - на соосное кольцо (рис. 5.1,б). При этом за счет взаимодействия когерентных структур с кромкой клина (кольца - в осесимметричном случае) реализуется акустическая обратная связь, при которой волны давления, образующегося при соударении когерентных структур с кромкой клина или кольца, распространяются навстречу потоку и возбуждают слой смешения в выходном сечении сопла или разделяющей пластины. В результате взаимодействия сдвигового слоя с клином или кольцом возникают интенсивные автоколебания, частота которых определяются скоростью потока, начальной толщиной слоя смешения, углом раствора клина и расстоянием вдоль по потоку от среза сопла или разделяющей пластины (в случае слоя смешения) до препятствия.

При возникновении автоколебаний в спектре пульсаций скорости в слое смешения и пульсаций поперечной силы на клине появляются дискретные составляющие. При плавном увеличении расстояния наблюдаются скачкообразные изменения частоты с характерным гистерезисом. Наличие клина, на который натекает сдвиговый слой, приводит к такому изменению вихревых структур, которое подобно их изменению при внешнем периодическом возбуждении сдвигового слоя на основной частоте следования крупномасштабных вихревых структур.

Аналогичные резонансные эффекты возникают при взаимодействии струи, или точнее, слоя смешения с полостью (рис. 5.1,в).

Рис. 5.1. (см. скан) Схемы самовозбуждения струйных течений: а - истечение струи из ресивера, б - натекание плоской струи на клин или осесимметричной струи на соосную трубку, в - взаимодействие струи (слоя смешения) с полостью, г - втекание струи в трубу, д - натекание струи на экран, е - "свистящее "сопло, ж - натекание струи на экран, з - натекание струи на шайбу с отверстием, и - струя в аэродинамической трубе с открытой рабочей частью

И здесь когерентные структуры при соударении с задней кромкой полости генерируют волны давления, которые распространяются со скоростью звука навстречу потоку и возбуждают пограничный слой вблизи передней кромки полости, что приводит к возникновению автоколебаний. Подробно этот вопрос рассмотрен в главе 10. Еще один класс автоколебаний реализуется при втекании

струи в трубу (рис. 5.1,г), открытую с обоих концов. Здесь происходит взаимодействие периодических, когерентных структур струи с резонансными характеристиками трубы.

При натекании турбулентной струи на экран с достаточно большими дозвуковыми скоростями при не очень больших расстояниях среза сопла от экрана также возникают мощные автоколебания (рис. Эта проблема рассмотрена в параграфе 5.2.

Остановимся подробнее еще на одном ярком примере самовозбуждения струи. Это так называемое "свистящее сопло в котором реализуется самовозбуждение струи с управляемой амплитудой и частотой (рис. 5.1,е). Оно состоит из трубы постоянного сечения и следующей за ней муфты, скользящей по трубе. При продольном смещении муфты изменяется длина широкого окончания трубы. Муфта обеспечивает скачкообразное расширение потока из трубы длиной . С помощью этого устройства можно возбудить в выходном сечении трубы гармонические колебания скорости с интенсивностью до 10-12% без какого-либо подвода энергии извне и, таким образом, существенно интенсифицировать перемешивание в струе

Автоколебания в "свистящем сопле" образуются при взаимодействии двух независимых резонансных механизмов: характерного тона сдвигового слоя, вызванного нестационарным отрывным течением за обращенным по потоку уступом (в муфте), и резонанса подводящей ("органной") трубы. При плавном изменении геометрических параметров "свистящего сопла" (например, длины муфты) происходит скачкообразное изменение частоты автоколебаний, причем смежные ступени разделены "мертвыми зонами где невозможна одновременная реализация указанных выше двух резонансных механизмов. Частота и амплитуда генерируемого в сопле чистого тона зависит от длины трубы длины кольца высоты скорости истечения и диаметра трубы Частота тона сдвигового слоя кратна частоте в диапазоне предпочтительной моды струи.

Необходимо подчеркнуть, что возбуждение струи помимо "свистящего сопла" возможно при замене муфты на рис. 5.1,е кольцом или шайбой (рис.5.1,з). При этом, однако, слышимый тон будет менее интенсивным, чем для "свистящего сопла". Кроме того, заметная интенсификация смешения в струе для этих устройств достигается только при ламинарном режиме течения при выходе из трубы [5.11]. В заключение упомянем еще один важный случай реализации автоколебаний в аэродинамических трубах с открытой рабочей частью который рассмотрен ниже в параграфе 5.3 и в главе 9.

На рис 5.2. представлено изменение вдоль оси средней скорости и продольных пульсаций скорости в турбулентной струе, истекающей из "свистящего сопла". Достигаемая интенсификация перемешивания происходит при числах Струхаля и наблюдается как при ламинарном, так и при турбулентном режиме течения на выходе из трубы. При начальном турбулентном режиме потока (в конце трубы) возбуждение оказывается

менее интенсивным, чем при начальном ламинарном режиме. Как видно из рис. 5.2, здесь имеет место полная аналогия со случаем низкочастотного акустического возбуждения (см. параграф 3.3); при тех же значениях в случаях истечения струи с акустическим возбуждением и истечением из "свистящего" сопла происходит рост широкополосного спектра пульсаций скорости во всем диапазоне частоты.

Рис. 5.2. Изменение средней скорости и продольных пульсаций скорости вдоль оси струи, истекающей из "свистящего" сопла.

Для определения частот чистого тона при которых "свистящее" сопло может создавать регулируемое возбуждение круглой струи, была получена эмпирическая формула [5.8]:

где скорость звука,

На рис. 5.2 случай соответствует невозбужденной струе, когда