1.4. Начальные условия истечения турбулентных струй

Отмеченные в начале главы 1 неустойчивость струи и ее реакция на различного рода возмущения делают актуальными изучение и учет начальных условий истечения: аэродинамических, акустических, геометрических.

1.4.1. Аэродинамические и акустические параметры, характеризующие начальные условия истечения дозвуковых затопленных и спутных турбулентных струй. В общем случае начальные условия истечения характеризуются распределением в выходном сечении сопла средней скорости, температуры, энергии и масштаба турбулентности. Применительно к затопленным струям с почти равномерным распределением перечисленных параметров по сечению (вне пограничного слоя на срезе сопла) для характеристики начальных условий истечения используются следующие параметры: число Рейнольдса, число Маха, степень неизотермичности, степень турбулентности в центре выходного сечения сопла, толщина вытеснения, толщина потери импульса и формпараметр пограничного слоя в выходном сечении сопла. К начальным условиям истечения относится также режим течения в пограничном слое в выходном сечении сопла (ламинарный, переходный, турбулентный). В ряде случаев представляется также существенным знание масштаба турбулентности, а также наличия вибраций сопла - продольных и поперечных, их величина и спектры. Характеризуются они величиной вибрационного ускорения, которая измеряется специальными вибродатчиками.

Аэродинамические и акустические характеристики струи (это в равной степени относится к экспериментальной установке или натурному турбореактивному двигателю) могут заметно измениться под действием акустических возмущений, распространяющихся вдоль по потоку по тракту экспериментальной установки и ТРД. Поэтому начальные условия истечения следует дополнить уровнем и спектром шума в выходном сечении сопла. Особенно существенно наличие дискретных составляющих в этом спектре, которые могут заметно изменить аэродинамические и акустические характеристики струи. Для струи в спутном потоке, кроме перечисленных параметров, требуется еще знать параметры спутного потока в плоскости выходного сечения сопла, профили скорости и энергии турбулентности, параметр спутности Начальные распределения скорости, температуры и концентрации примеси важны еще и потому, что они определяют инварианты струи - условия постоянства избыточного импульса, избыточного теплосодержания и избыточного содержания примеси справедливые при отсутствии продольного градиента давления в спутном потоке.

1.4.2. Геометрические параметры, определяющие начальные условия истечения. Геометрические параметры устройства, формирующего струю, существенным образом влияют на ее аэродинамические и акустические характеристики.

Рис. 1.20. Формы поперечного сечения сопла

Это, в первую очередь относится к форме поперечного сечения струи в ее начальном сечении. Перечислим различные формы поперечного сечения сопла (рис. 1.20): 1 - плоское; 2 - круглое; 3 - прямоугольное; 4 - эллиптическое; 5 - треугольное; 6 - кольцевое с концентрическим и эксцентрическим расположением внутреннего и внешнего сопел; 7 - круглое с генераторами продольных вихрей, создающими начальную азимутальную неоднородность потока; 8 - лепестковое. Наконец, вместо сопел иногда используются диафрагмы с отрывным характером обтекания острой кромки для генерации плоских, круглых и эллиптических струй.

Для сравнения характеристик пространственных и круглых струй обычно в качестве характерного геометрического параметра сопла сложной формы используется эквивалентный диаметр который соответствует площади его выходного поперечного сечения Приведем некоторые аэродинамические характеристики осесимметричных и пространственных турбулентных струй, иллюстрирующие влияние геометрии устройства (сопла или диафрагмы), формирующего струю.

Рис. 1.21. Схемы истечения струи из сопла и диафрагмы

А. Прежде всего рассмотрим существенные различия истечения затопленной струи из сопла и диафрагмы (рис. 1.21). В первом случае для формирования струи с возможно более равномерным начальным профилем скорости используется сужающееся сопло с плавным очертанием контура, при этом степень поджатая потока (отношение площадей поперечного сечения на входе и выходе из сопла) позволяет снизить уровень турбулентности потока в выходном сечении сопла. При истечении струи из диафрагмы реализуется отрывное обтекание ее острой кромки, профиль скорости в начальном сечении струи неравномерен и имеет минимум в центре начального сечения струи. На рис. 1.22 представлены зависимости [1.10] средней скорости и продольных пульсаций скорости на оси струи от продольной координаты при истечении струи из сопла и диафрагмы с 9- кратным поджатием потока. При истечении струи из диафрагмы средняя скорость сначала возрастает вдоль оси струи, достигает

Рис. 1.22. Зависимости для струй, истекающих из сопла и диафрагмы сопло, 2 - диафрагма)

максимума, а затем начинается ее падение, как и для струи, истекающей из сопла.

Б. Истечение струи из диафрагмы эллиптического сечения. На рис. 1.23 представлено изменение вдоль по потоку поперечных размеров в двух взаимноперпендикулярных сечениях струи с отношением осей эллиптического сечения Эти зависимости иллюстрируют явление переориентации осей поперечного сечения струи вдоль по потоку [1.35]. В начальном сечении вблизи диафрагмы изотахи поперечного сечения подобны эллипсу диафрагмы, затем на некотором удалении изотахи становятся почти круглыми, после чего они вытягиваются в перпендикулярном направлении.

Рис. 1.23. Изменение вдоль по потоку ординат половинной скорости вдоль большой и малой осей эллиптической диафрагмы различного удлинения а- вдоль большей оси, - вдоль меньшей оси

(кликните для просмотра скана)

Указанная деформация поперечного сечения сопровождается интенсификацией смешения и ростом эжекции эллиптической струи по сравнению с круглой. Эта деформация обусловлена взаимодействием крупномасштабных когерентных структур в слое смешения струи. Аналогичные эффекты наблюдаются также при истечении струи из эллиптического и прямоугольного сопел.

В. Истечение струи из круглого сопла с генераторами продольных вихрей. Установка в выходном сечении сопла двух, четырех или восьми генераторов продольных вихрей (квадратных пластинок со стороной несколько деформирует поперечное сечение сопла и существенно изменяет аэродинамические характеристики струи [1.25]. На рис. 1.24 показано изменение вдоль оси средней скорости и продольных пульсаций скорости. Там же для сравнения приведены соответствующие кривые для круглого сопла без генераторов вихрей.

В приведенном примере иллюстрируется интенсификация смешения в струе с помощью генераторов вихрей. В ряде случаев наличие генераторов вихрей в выходном сечении круглого сопла, создающих азимутальную неоднородность потока, может привести, в зависимости от геометрических параметров генераторов, их числа и толщины начального пограничного слоя на срезе сопла, не только к интенсификации смешения, но и к его ослаблению [1.9]. На рис. 1.25 представлены соответствующие зависимости для средней скорости и продольных пульсаций скорости, иллюстрирующие этот эффект. Ослабление перемешивания при по-видимому, обусловлено задержкой роста кольцевых вихрей в слое смешения начального участка струи.

Г. Истечение струи из лепесткового сопла. В авиационных двухконтурных турбореактивных двигателях с общей камерой смешения для снижения шума используются лепестковые сопла, обеспечивающие интенсификацию смешения и, как следствие, уменьшение масштаба турбулентности в струе и снижение шума. В качестве примера на рис. 1.26 представлено

Рис. 1.26. Изменение средней скорости вдоль оси затопленных струй, истекающих из круглого, прямоугольного и лепесткового сопел длиной ; эквивалентный диаметр сопла

сравнение затухания средней скорости вдоль оси струи, истекающей из круглого и лепесткового сопел [1.39]. На рис. 1.27 приведены также зависимости для круглого, прямоугольного и лепестковых сопел с длиной камеры смешения

Перечисленные примеры иллюстрируют существенное влияние геометрии сопла на аэродинамические характеристики струи. Эти данные важны также для оценки влияния акустических возмущений на характеристики турбулентных струй разного поперечного сечения.