5.2. Нормальное и косое натекание околозвуковой струи на экран

5.2.1. Когерентные структуры в импактных струях. Наличие когерентных структур в струе особенно наглядно проявляется при натекании дозвуковой турбулентной струи на экран. Здесь при достаточно больших дозвуковых скоростях истечения и не очень больших расстояниях сопла от экрана возникают мощные автоколебания с частотой, близкой к частоте предпочтительной моды свободной струи Эти автоколебания воспринимаются в дальнем акустическом поле струи как

пронзительным шум. Таким образом, при реализации указанного яаления когерентные структуры можно не только увидеть (при визуализации течения), но и услышать. Это явление подробно изучено в работах Там же содержится обширная библиография ранее проведенных исследований.

Акустическая обратная связь, обнаруженная в свободных струях, (см. здесь существенно усиливается. Установлены две ветви петли обратной связи - конвектируемые вниз по потоку когерентные структуры и распространяющиеся вверх по потоку волны давления, генерируемые соударениями крупномасштабных когерентных структур с экраном. Эти волны с частотой, соответствующей частоте крупномасштабных когерентных структур, возбуждают слой смешения вблизи сопла, что приводит к резкому усилению крупномасштабных когерентных структур. Характерный период автоколебаний определяется скоростью конвекции когерентных структур скоростью распространения вверх по потоку волн давления (скоростью звука), а также расстоянием между соплом и экраном.

Необходимое условие реализации резонанса состоит в выполнении фазового соотношения (1.2), в котором вместо следует подставить расстояние от среза сопла до экрана

Это соотношение характеризует наиболее фундаментальное свойство течений с петлей обратной связи. При выполнении фазового соотношения (5.1) условием реализации резонанса является достижение достаточно высокого значения числа Маха поскольку с ростом этого числа увеличивается интенсивность волн давления вблизи сопла в слое смешения. Соответствующее условие для амплитуд пульсаций давления имеет вид [5.2]:

Наличие порогового уровня звукового давления, по достижении которого происходит сильное возбуждение струи, указывает на некоторую аналогию данной задачи со случаем периодического возбуждения струи от внешнего источника (см. гл. 2).

Измерения пульсаций давления вблизи кромки сопла и на некотором удалении от нее вне струи при резонансном и нерезонансном режимах для показали [5.10], что и на нерезонансном режиме наблюдается модуляция высокочастотных пульсаций давления в слое смешения вблизи сопла, однако, уровень низкочастотных пульсаций в этом случае недостаточен для возбуждения резонанса.

На рис. 5.3 представлено изменение характерных частот автоколебаний и целочисленных значений для при изменении от 2 до 7,5. В каждой частотной ступени число волн остается постоянным. При увеличении расстояния от сопла до экрана резонансная частота уменьшается до достижения минимального значения дальнейший рост

приводит к скачкообразному росту частоты, сопровождающемуся увеличением на единицу числа волн в петле обратной связи. Нижний предел что соответствуют наиболее неустойчивой моде свободной турбулентной струи. При этом в экспериментах наблюдается гистерезис [5.10].

Рис. 5.3. Изменение безразмерной резонансной частоты и параметра с ростом при

При сравнительно малых расстояниях сопла от экрана увеличение вдоль по потоку масштаба вихрей в слое смешения и соответствующее уменьшение (примерно на порядок) их частоты не могут происходить за счет попарного слияния вихрей, как в случае свободной струи. При этом реализуется так называемое коллективное взаимодействие вихрей, когда вместо попарного слияния происходит множественное слияние вихрей [5.10]. После коллективного взаимодействия характерная частота следования крупномасштабных структур в радиальной пристеночной струе остается неизменной. Это подтверждается, в частности, измерением спектров пульсаций поверхностного трения на экране [5.3].

О реализации резонансного (автоколебательного) режима в системе струя - экран обычно судят по наличию дискретной составляющей на спектре пульсаций давления в ближнем или дальнем акустическом поле струи или же на поверхности экрана. Из представленных на рис. 5.4,а и б спектров пульсаций давления в дальнем поле струи (на радиусе

составляющем с осью струи угол видно, как по мере увеличения единицы до 9 при фиксированном значении и с ростом от 0,63 до при фиксированном расстоянии появляются или исчезают дискретные составляющие. Отсюда следует, что при дискретные составляющие на спектрах пульсаций давления возникают на частоте Автоколебательные режимы реализуются также при натекании на экран горячих струй, что иллюстрируется спектрами пульсаций давления в дальнем поле (рис. 5.4,г) при и

Представляет интерес выяснение возможности реализации автоколебательных режимов при косом натекании струи на экран. Соответствующие спектры пульсаций давления в дальнем акустическом поле такой струи при и разных углах наклона экрана представлены на рис. Исчезновение резонанса при больших углах наклона экрана объясняется заметным уменьшением интенсивности наведенного акустического поля вблизи сопла.

5.2.2. Пристеночная радиальная струя. Когерентные структуры, образующиеся в слое смешения струи и усиливающиеся вследствие акустической обратной связи в круглой импактной струе, сохраняются и в пристеночной радиальной струе, растекающейся по экрану. Представленные на рис. 5.5 спектры пульсаций пристеночного давления поверхностного трения а также пульсаций скорости и на расстоянии от экрана при показывают, как по мере удаления от центра экрана вырождаются когерентные структуры [5.3].

О вырождении этих структур с ростом свидетельствует исчезновение дискретной составляющей на спектрах На спектрах дискретные составляющие остаются при всех так как заделанные заподлицо с экраном микрофоны измеряют пульсации давления в дальнем поле струи. Важно отметить, что дискретные выбросы на спектрах и соответствуют примерно одинаковым числам Струхаля Это означает, что на участке радиальной пристеночной струи образовавшиеся выше по потоку когерентные структуры при своем движении вдоль радиуса не взаимодействуют друг с другом, т.е. не происходит их попарных слияний, сопровождающихся двукратным уменьшением частоты.

На рис. приведены распределения вдоль радиуса среднего давления и среднего коэффициента поверхностного трения а также среднеквадратичных значений их пульсаций на резонансном и нерезонансном режимах. Исключение составляет распределение среднего давления, которое практически не отличается на этих двух режимах.

5.2.3. Подавление автоколебаний. Возникновение автоколебаний при натекании струи на экран в ряде случаев может оказаться нежелательным. При этом коэффициент пространственной корреляции пульсаций давления в центре экрана и в точках вдоль радиуса до сохраняет большие

(кликните для просмотра скана)

(кликните для просмотра скана)

Рис. 5.6. Распределение давления и поверхностного трения вдоль радиуса пристеночной струи и их среднеквадратичных значений при на резонансном нерезонансном режимах

значения что обусловливает большие пульсационные нагрузки на экран. Кроме того, пронзительный шум в окружающем пространстве также нежелателен.

Подавление автоколебаний может быть осуществлено путем ослабления акустической обратной связи, являющейся основной причиной возникновения автоколебательных режимов [5.3]. Как указывалось выше, нарушение азимутальной однородности слоя смешения вблизи сопла приводит к некоторому небольшому ослаблению когерентных структур. Такого ослабления для струи, натекающей на экран достаточно, чтобы нарушить акустическую обратную связь и устранить резонанс, о чем свидетельствуют спектры пульсаций давления в дальнем поле струи Здесь сплошная кривая соответствует

Рис. 5.7. Подавление автоколебаний в импактной струе при нарушении азимутальной однородности слоя смешения: а - на срезе сопла, при разрушении осевой симметрии ударяющихся об экран кольцевых вихрей путем оребрения его поверхности

резонансному режиму, штриховая - подавлению автоколебаний при введении в слой смешения сопла трех конусов (на глубину

Другой способ ослабления акустической обратной связи и подавления автоколебаний состоит в разрушении когерентных структур струи в месте их соударения с экраном. Это достигается путем оребрения поверхности экрана, т.е. установкой сравнительно невысоких перегородок, образующих квадратную решетку с шагом На рис. приведены соответствующие спектры пульсаций давления в дальнем поле струи, натекающей на гладкий экран и оребренную поверхность при Здесь сплошная кривая соответствует резонансному режиму при гладком экране, штриховая - исключению резонанса при оребрении поверхности экрана. При таком способе подавления автоколебаний, в отличие от предыдущего (см.рис. 5.1,а), исключение дискретных составляющих в спектре шума сопровождается некоторым увеличением широкополосного шума.

Существенное ослабление интенсивности автоколебаний при натекании околозвуковых горячих струй на экран может быть достигнуто также при замене сплошного экрана проницаемым, решетчатым или сетчатым с организацией в необходимых случаях поперечного отвода прошедшего через экран газа.