5.3. Автоколебания в аэродинамических трубах с открытой рабочей частью

В аэродинамических трубах замкнутого типа с открытой рабочей частью в определенном диапазоне скоростей возникают автоколебания, приводящие к существенному возрастанию продольных низкочастотных пульсаций скорости в рабочей части и пульсаций давления во всем тракте трубы.

Указанные автоколебания [5.5,5.14] вызваны взаимодействием гидродинамических колебаний потока в слое смешения свободной струи и акустических колебаний в обратном канале (стоячие звуковые волны). Наличие гидродинамических колебаний в слое смешения струи приводит к тому, что интенсивность пульсаций скорости в ядре потока в открытой рабочей части превышает соответствующие пульсации в аэродинамических трубах с закрытой рабочей частью [5.12].

Другой недостаток аэродинамических труб с открытой рабочей частью состоит в том, что если не принять необходимых мер, с ростом скорости потока возникают сильные вибрации элементов трубы, которые угрожают целостности конструкции трубы и здания, что особенно существенно для промышленных труб большого диаметра. Однако, если даже принять необходимые меры, приводящие к уменьшению пульсаций потока и тряски конструкции трубы, полностью подавить автоколебания и, соответственно, пульсации потока в рабочей части общепринятыми способами во всем диапазоне рабочих скоростей не удается, и при некоторых скоростях потока интенсивность пульсаций скорости в рабочей части остается завышенной и превышает При этих скоростях, как правило, эксперименты не ведутся, что естественно сужает диапазон рабочих скоростей.

Наиболее распространенные способы демпфирования такого рода колебаний сводятся либо к ослаблению регулярных вихреобразований в слое смешения свободной струи, либо к ослаблению воздействия колебаний в свободной струе на колебания в обратном канале [5.5]. Первое достигается сообщением пограничному слою в начальном сечении струи азимутальной неоднородности, что в конечном счете ослабляет или разрушает кольцевые вихри (когерентные структуры); второе - с помощью отверстий в стенках диффузора вблизи его входной кромки.

Характер автоколебаний в аэродинамической трубе определяется двумя ветвями акустической обратной связи: через обратный канал вдоль потока и через рабочую часть навстречу потоку. Последний тип обратной связи соответствует случаю, когда круглая струя натекает на соосно расположенное кольцо или трубку, так называемый краевой тон [5.6]. Отсюда следует, что и в аэродинамических трубах незамкнутого типа с открытой частью, окруженной камерой Эйфеля, также возможна реализация автоколебаний [5.13].

Обратный канал трубы является акустическим резонатором, благодаря чему в определенных диапазонах скоростей потока возбуждаются мощные звуковые волны. В открытой рабочей части реализуется затопленная струя, которая, как указывалось выше (параграф 1.1), является усилителем гидродинамических пульсаций. Связь между резонатором и усилителем осуществляется за счет преобразования акустических и гидродинамических волн друг в друга, которое наиболее эффективно у концов резонатора.

Вихри, образующиеся в слое смешения струи при соударении с кромкой диффузора, создают импульсы давления, которые возбуждают звуковые волны, распространяющиеся в двух направлениях: вдоль потока по

обратному каналу и навстречу потоку - в рабочей части. Попадая на кромку сопла в нужной фазе, эти звуковые волны генерируют образование вихревых возмущений, выполняя тем самым роль двух цепей обратной связи [5.14].

На рис. 5.8 представлены зависимости амплитуды (2) и частоты (7) колебаний давления в свободной струе в зависимости от скорости потока, иллюстрирующие возникновение автоколебательных режимов в аэродинамической трубе с диаметром сопла ее аэродинамический контур представлен на рис. 5.9.

Рис. 5.8. Зависимость амплитуды и частоты (2) колебаний давления в свободной струе аэродинамической трубы от скорости потока, иллюстрирующая образование автоколебательных режимов

Рис. 5.9. Аэродинамический контур трубы, характеристики приведены на рис. 5.8

Рассмотрим теперь особенности наиболее распространенных устройств для демпфирования автоколебаний а аэродинамических трубах [6.9].

1. Организация входа потока в диффузор. Вход потока в диффузор реализуется в виде плавно сужающегося раструба или, чаще - тонкой почти цилиндрической части с закругленной кромкой. Указанная цилиндрическая часть охватывается выдвинутым вперед кольцевым крылом. При удалении кольцевого раструба наблюдается не только значительное увеличение амплитуды колебаний (в 2-3 раза), но и расширение границ периодических режимов. Как указано в работе [6.9], устройство раструбов следует считать полезным для демпфирования автоколебаний, но их действие совершенно недостаточно.

2. Устройство отверстий при входе в диффузор. Обычно такие отверстия (один или несколько рядов) располагаются на расстоянии от передней кромки диффузора. Их суммарная площадь составляет 35-50% от площади входа в диффузор. Несмотря на очевидную эффективность этого способа демпфирования колебаний, следует отметить, что полного подавления автоколебаний во всем диапазоне скоростей он не обеспечивает.

3. Генерация продольных вихрей в слое смешения струи является наиболее надежным способом демпфирования автоколебаний. Но этот способ связан с возмущением пограничного слоя на срезе сопла и сопровождается увеличением сопротивления трубы, а также нежелательным искажением поля течения в ее рабочей части.

Не касаясь других способов демпфирования автоколебаний в аэродинамических трубах с открытой рабочей частью, укажем, что в главе 9 рассмотрен акустический метод управления указанными автоколебаниями. Теория таких автоколебаний с учетом наличия двух ветвей акустической обратной связи изложена в монографии [5.4].

Литература

(см. скан)

(см. скан)