1.5. Методы управления турбулентными струями

Выше упоминалась важная роль когерентных структур в крупномасштабном переносе импульса, тепла и массы, а также в генерации аэродинамического шума в турбулентных дозвуковых струях. Изучение образования, взаимодействия и распада этих структур позволило существенно углубить существующие представления о механизме турбулентного смешения и образования шума в струях. Зависимость когерентных структур от начальных условий истечения и их чувствительность к различного рода периодическим возмущениям открывает широкие возможности для эффективного управления аэродинамическими, тепловыми и акустическими характеристиками начального участка турбулентных струй, т.е. направленного изменения этих характеристик.

Известные методы управления турбулентностью в струйных течениях путем воздействия на их когерентные структуры подразделяются на две отчетливые категории: 1) пассивное управление, не требующее подвода внешней энергии, и 2) активное управление, требующее дополнительной энергии.

Пассивное управление осуществляется за счет изменения начальных условий истечения (режим течения в пограничном слое на срезе сопла, изменение параметров этого слоя, начальная турбулентность потока, начальный масштаб турбулентности) или же изменения геометрии устройства, формирующего струю (форма сопла или диафрагмы с острыми кромками, сопла сложной геометрии: прямоугольные, треугольные, эллиптические, кольцевые, многотрубчатые, лепестковые, сопла круглого сечения с генераторами продольных вихрей в их выходном сечении). Пассивное управление позволяет не только изменять топологию крупномасштабных когерентных структур, но при их ослаблении усиливать относительную роль мелкомасштабной турбулентности. Как правило, при пассивном управлении достигается интенсификация смешения, хотя при некоторых слабых воздействиях, приводящих к ослаблению когерентных структур в струе удается получить и противоположный эффект - ослабление перемешивания.

Активное управление достигается при введении слабых периодических (гармонических) возмущений в устройство (сопло или диафрагму), формирующие струю. Для этой цели обычно используются акустические или вибрационные возмущения, а также возмущения начального пограничного

Рис. 1.27. Зависимости для круглого и лепесткового сопел (2 - 6 лепестков, лепестков, лепестков) при длине камеры смешения эквивалентный диаметр сопла

слоя плоского сопла с помощью вибрирующих ленточек. В ряде случаев для интенсификации смешения в струях применяются высокоамплитудные периодические пульсации с помощью различного рода пульсаторов, расположенных перед соплом, или колеблющихся крылышек, расположенных за плоским соплом.

При соответствующем выборе частоты слабых акустических возмущений можно либо усилить попарное слияние вихрей в начальном участке струи, либо ослабить спаривание или вызвать раннее разрушение когерентных структур, что в конечном счете позволяет генерировать или ослаблять турбулентность, увеличивать или уменьшать шум струи.

Главное достоинство акустического управления турбулентными

струями состоит в его высокой эффективности: для получения существенного изменения аэродинамических, акустических и других характеристик турбулентной струи требуется тональное возмущения весьма малой интенсивности. Так, при акустическом возбуждении струи отношение среднеквадратичного значения пульсаций скорости в звуковой волне на срезе сопла к скорости истечения составляет Существенное преимущество акустического метода управления турбулентными струями состоит в том, что при его реализации не требуется введения в поток различного рода прерывателей или движущихся частей. По существу, акустический метод управления дозвуковыми турбулентными струями сводится к управлению их когерентными структурами в их начальном участке. Так, при изменении геометрии сопла, которое приводит к существенному ослаблению крупномасштабных когерентных структур (например, для лепесткового сопла), периодическое возбуждение струи не приводит к изменению ее характеристик.

Промежуточное положение между пассивным и акустическим управлением турбулентными струями занимают соответствующие изменения геометрии струйного течения, которые обусловливают возникновение самовозбуждения струи (например, самовозбуждение околозвуковой струи при ее натекании на экран, при организации слабого внезапного расширения за соплом, при возбуждении струи за счет воздействия резонансных свойств ресивера, при помещении резонатора вблизи выходного сечения сопла и др.). Во всех этих случаях механизмы воздействия на струи обусловлены образованием акустических колебаний, наличием акустической обратной связи.

Механизм турбулентного смешения и генерации аэродинамического шума в сверхзвуковых неизобарических струях существенно отличаются от соответствующих механизмов дозвуковых турбулентных струй. Они рассматриваются в одной из глав книги. Здесь важно отметить, что акустические методы управления могут оказаться эффективными и для сверхзвуковых струй. И здесь исследованы случаи активного и пассивного управления. В последнем случае наиболее эффективно управление с помощью экрана, который облучает струю отраженными от ее газодинамического участка звуковыми волнами.

Ниже рассматриваются акустические методы управления аэродинамическими и акустическими характеристиками дозвуковых и сверхзвуковых неизобарических турбулентных струй. Обзоры методов управления такими струями и некоторых их практических приложений содержатся в работах

Литература

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)