ГЛАВА 2. УПРАВЛЕНИЕ АЭРОДИНАМИЧЕСКИМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ ДОЗВУКОВЫХ ТУРБУЛЕНТНЫХ СТРУЙ

2.1. Восприимчивость турбулентных струй к слабым гармоническим акустическим возмущениям. Влияние частоты возбуждения

Аэродинамические характеристики турбулентных струй и слоев смешения могут быть изменены путем периодического воздействия на течение в их начальном сечении. Такое воздействие может быть реализовано при создании периодического изменения расхода жидкости или газа через сопло, путем вибраций сопла или же возбуждения слоя смешения на кромке сопла с помощью вибрирующей ленточки. Перечисленные способы управления связаны с механическим воздействием на поток, поскольку все они требуют непосредственного воздействия на геометрию устройств, формирующих струйное течение [2.25]. Механизм их воздействия на струю обусловлен периодическим возбуждением струи, вследствие чего в выходном сечении круглого сопла генерируются кольцевые периодические вихри; их взаимодействие друг с другом существенно изменяет течение в слое смешения начального участка струи.

При акустическом облучении турбулентной струи непосредственное взаимодействие акустического поля с турбулентными пульсациями в струе практически не имеет места, так как длина акустических волн существенно превышает характерный размер сопла (его диаметр) или толщину пограничного слоя в начальном сечении слоя смешения. Однако акустические волны генерируют вихревые возмущения на неоднородности течения [2.32,2.43], на кромке сопла в случае струи или на задней кромке разделяющей два потока пластины в случае слоя смешения. Эти возмущения и воздействуют на вихревую систему слоя смешения в начальном участке струи подобно тому, как это наблюдается при механическом воздействии на поток. При этом акустическое возбуждение обладает важным преимуществом дальнодействия, т.е. оно не требует введения в поток каких-либо препятствий или подвижных устройств.

Рассмотрим простейшие схемы одночастотного акустического возбуждения струи. Различают продольное (по потоку и навстречу потоку) облучение струи, а также поперечное и радиальное облучение (рис. 2.1). При

продольном и радиальном возбуждении струи под действием звуковых волн на срезе сопла образуются и сносятся вниз по потоку осесимметричные периодические вихревые кольца; при поперечном акустическом возбуждении на кромке среза круглого образуются скошенные вихревые кольца [2.35], они более интенсивны со стороны излучателя и менее интенсивны с противоположной стороны. Это обстоятельство, как будет показано в дальнейшем, обусловливает некоторое различие акустического воздействия на струю при ее продольном и поперечном облучении.

Рис. 2.1. Схемы продольного, поперечного и радиального акустического облучения струи: а - продольное облучение по потоку, продольное облучение навстречу потоку, в - поперечное облучение, радиальное облучение

При слабом продольном периодическом возбуждении струи звуковые волны на частоте неустойчивости струи [2.4] генерируют кольцевые вихри более регулярные (рис. 2.2,а), чем при невынужденном возникновении неустойчивости (рис.2.2,б). В обоих случаях эти вихри образуются на кромке сопла. Следует отметить, что возбужденные звуком вихревые кольца более интенсивны, чем в случае отсутствия периодического возбуждения, они позже спариваются и позже разрушаются.

При воздействии на струю слабых акустических колебаний наибольший интерес представляют гармонические (синусоидальные) колебания, которые характеризуются двумя параметрами - частотой и амплитудой. Уже первые эксперименты по тональному акустическому возбуждению низкоскоростных турбулентных струй показали, что последние восприимчивы к акустическим колебаниям.

В работах [2.5,2.6] впервые были обнаружены два эффекта противоположной природы при поперечном и продольном акустическом облучении турбулентной струи в зависимости от частоты облучения [2.5,2.6]. Было установлено, что при частотах соответствующих числам Струхаля (низкочастотное облучение) происходит интенсификация

(кликните для просмотра скана)

перемешивания, утолщается слой смешения и уменьшается длина начального участка, возрастают продольные и радиальные пульсации скорости на оси струи и укрупняются периодические вихри в пределах ее начального участка, усиливается эжектирующая способность струи При частотах соответствующих числам Струхаля (высокочастотное облучение) происходит ослабление перемешивания, утончается слой смешения и возрастает длина начального участка, уменьшаются продольные и радиальные пульсации скорости на оси струи и измельчаются периодические вихри в пределах начального участка, ослабевает эжектирующая способность струи

Рис. 2.3. Изменение средней скорости и продольных пульсаций скорости вдоль оси струи при ее поперечном акустическом облучении при

Эти эффекты были установлены вначале для низкоскоростных струй (скорость истечения диаметр сопла . В дальнейшем для оценки интенсивности акустического облучения струи использовался безразмерный параметр, равный отношению среднеквадратичного значения пульсаций скорости в звуковой волне вблизи кромки сопла при отсутствии потока к скорости истечения для продольного облучения для поперечного облучения . В ряде случаев для упрощения записи принимается причем здесь представляют собой не мгновенные пульсации скорости в звуковой волне, а их среднеквадратичные значения. Значения определяются по значениям с помощью

известной формулы для плоской звуковой волны или пульсации давления в звуковой волне. Поскольку то где - плотность и скорость звука в потоке на срезе сопла. Величины обычно находятся в пределах 0,05 - 2%.

Указанные два эффекта - интенсификация и ослабление перемешивания в начальном участке струи - реализуется при числах Струхаля, соответствующих которые характерны для когерентных структур ближе к концу начального участка присопловой части слоя смешения

Приведем некоторые результаты экспериментов, иллюстрирующие упомянутые выше эффекты для круглых струй. На рис. 2.3 показаны изменения средней скорости и продольных пульсаций скорости вдоль оси струи при ее поперечном [2.5] акустическом облучении, на рис. 2.4 - аналогичные результаты при продольном и поперечном [2.26] акустическом облучении струи.

На рис. 2.5 представлены зависимости для средней скорости и продольных пульсаций скорости для фиксированной точки на оси струи которые иллюстрируют диапазоны

Рис. 2.4. Изменение средней скорости, продольных и радиальных пульсаций скорости вдоль оси турбулентной струи при ее продольном и поперечном акустическом возбуждении. I - продольное облучение, II - поперечное облучение.

Рис. 2.5. Кривые для фиксированной точки на оси струи при поперечном облучении струи,

чисел Струхаля, соответствующие интенсификации и ослаблению перемешивания в струе при поперечном акустическом возбуждении струи Следует отметить, что немонотонный, пикообразный характер приведенных зависимостей обусловлен аналогичным характером частотный характеристики электродинамического излучателя, когда на каждой частоте возбуждения задавался максимум уровня звукового давления Другая возможная причина этой немонотонности может быть обусловлена резонансными свойствами ресивера, из которого вытекает струя. При фиксированном уровне звукового давления немонотонность кривых как правило, не имеет места. Это будет проиллюстрировано в следующем параграфе. Таким образом, при акустическом возбуждении струи основные изменения происходят в пределах ее начального и переходного участков

На рис. 2.6 приведены профили средней скорости, трех компонент пульсационной скорости и рейнольдсова напряжения сдвига в сечении турбулентной струи при числах Струхаля поперечного акустического облучения отсутствии возбуждения), при этом

Перейдем теперь к рассмотрению спектров продольных пульсаций скорости на оси струи и с слое смешения при отсутствии возбуждения а также при низкочастотном и высокочастотном продольном акустическом возбуждении струи. На рис. 2.7 представлены соответствующие третьоктавные спектры [2.13]. Таким образом, в приосевой области начального участка струи акустическое возбуждение приводит к сдвигу спектра вверх (при и вниз (при Отсюда, в частности, следует, что кривые приведенные в главе 1 (см. рис. будут практически совпадать для невозбужденных и возбужденных струй

Усиление периодичности течения в начальном участке струи при ее низкочастотном акустическом возбуждении сопровождается изменением пространственной корреляции продольных пульсаций скорости вдоль оси струи по сравнению со случаем

Рис. 2.6. Профили средней скорости, трех компонент пульсаций скорости и рейнольдсова напряжения сдвига в сечении струи при наличии и отсутствии поперечного акустического облучения

(кликните для просмотра скана)

Рис. 2.9. (см. скан) Изменение эйлеровой временной корреляции пульсаций продольной скорости в точках при поперечном и продольном облучении струи; при отсутствии облучения

отсутствия возбуждения [2.31]. Как следует из рис. 2.9, при акустическом возбуждении струи [2.8] в зависимости от изменяется также эйлерова временная корреляция на ее оси и в меньшей степени в слое смешения.

При низкочастотном акустическом возбуждении струи укрупнение периодических вихрей в слое смешения сопровождается некоторым нарушением изобаричности течения в приосевой области ее начального участка [2.29].

Как указывалось выше (см. п. 1.1), при высокочастотном возбуждении струи характерное число Струхаля акустического возбуждения следует определить не только по диаметру сопла, а по характерному значению пограничного слоя на срезе сопла, например, по толщине потери импульса 90.

В связи с этим рассмотрим данные соответствующего эксперимента [2.69] для слоя смешения круглой струи в функции при где толщина потери импульса в начальном сечении ламинарного пограничного слоя (рис. 2.10) при продольном акустическом возбуждении струи. Мы видим, что в наибольшей степени ослаблению перемешивания соответствует диапазон Во всех этих случаях оптимальное значение при котором реализуется ослабление перемешивания в струе, соответствует Оно наблюдается на участке слоя смешения круглой струи протяженностью до или

Рис. 2.10. (см. скан) Зависимости для круглой струи при продольном акустическом облучении и фиксированных частотах

В предисловии к настоящей книге указано, что после обнаружения явления интенсификации ослабления смешения в турбулентных струях при их низкочастотном высокочастотном акустическом возбуждении [2.5,2.6] появился ряд публикаций, в которых были подтверждены указанные эффекты (ссылки на них помещены в списке литературы). Наиболее ранние из них - это работы С.И.Исатаева и С.Б.Тарасова [2.29], В.И.Фурлетова [2.36], Роквелла [2.63], Кроу и Чампейна [2.39], Петерсена, Каплана и Лауфера [2.59], Замана и Хуссейна [2.69].

Таким образом, акустическое гармоническое возбуждение турбулентной струи при сравнительно малых амплитудах является эффективным средством управления ее статистическими характеристиками. В настоящей главе рассматривается реализация такого управления при различных начальных условиях истечения (уровня возбуждения, режима течения в начальном пограничном слое, начальной турбулентности потока, модового состава акустических возмущений, числа Маха истечения, степени неизотермичности струи, влияния отклонения формы управляющего сигнала от гармоничности и др.).