УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ВИХРЕВЫЕ СТРУКТУРЫ В ТУРБУЛЕНТНОЙ ВОЗДУШНОЙ СТРУЕ
DEVICE AND METHOD FOR INFLUENCE AT VORTICAL STRUCTURES IN TURBULENT AIR JET

Настоящее изобретение относится к устройству и способу для воздействия на вихревые структуры в турбулентной струе, предназначенным для снижения шума, создаваемого турбулентным потоком.
Проблема создания шумов в воздушных турбулентных потоках имеет место в различных отраслях техники. В частности, особое значение эта проблема приобретает в авиации, где шум самолета создается следующими главными источниками шума: силовой установкой (например, вентилятором, реактивной струей и т.д.) и при обтекании аэродинамических элементов планера самолета. Для решения задачи кардинального снижения шума самолета требуется комплексный подход, предполагающий снижение шума каждого из источников. Настоящее изобретение относится к устройству для снижения шума реактивной струи за счет воздействия на вихревые структуры в турбулентном воздушном потоке.
Интенсивное развитие авиационной техники, создание пассажирского транспорта нового поколения, привели к резкому увеличению интенсивных источников шума, воздействующих на человека. Со времени появления в 50-х годах реактивных пассажирских самолетов основным источником шума является выхлопная струя двигателя. Применение двухконтурных турбореактивных двигателей позволило улучшить акустические характеристики самолетов, однако активная наступательная роль международных организаций, вводящих все более жесткие требования для существующих и разрабатываемых самолетов требует интенсификации работ на этом направлении. Стратегической целью проводимых в области аэроакустики работ по 7-й европейской программе является разработка к 2010 году основных формулировок и предварительных предложений по пути существенного улучшения акустических характеристик объектов, а к 2020 году - разработка технологических решений и обоснованных рекомендаций для непосредственного внедрения в авиационную технику. Несмотря на то, что для дальнейшего снижения требуется уже сбалансированный подход, учитывающий разные источники (шум вентилятора, шум планера и т.д.), шум струи остается главным камнем преткновения при решении этой сложной задачи. Кроме того, шум струи остается определяющим источником шума, препятствующим созданию сверхзвукового транспорта. Поэтому к настоящему моменту ощущается острая необходимость, наряду с развитием традиционных подходов в проблеме снижения шума авиационных двигателей, выдвигать и использовать новые идеи, в том числе и идеи, основанные на попытках активного управления шумом турбулентных струй.
Активное управление турбулентным потоком находится в начальной стадии развития и требует усовершенствования систем возбуждения (актуаторов), алгоритмов управления и измерительных приборов для реализации этого мощного потенциала. Возбудители тлеющего разряда, впрыск жидкости, резонаторы Гельмгольца, МЕМС - все они являются актуаторами, которые обещают быть эффективными средствами управления потоком. При этом важно найти такое решение проблемы, которое было бы технически выполнимо, а также приемлемо с экономической точки зрения.
Перечислим некоторые технические решения, с помощью которых можно пытаться создать актуаторы для реализации идеи активного управления турбулентным потоком:
параэлектрические возбудители (см., например, Roth, J. R.; Sherman, D. M.; and Wilkinson, S. P. 1998: Boundary Layer Flow Control With a One Atmosphere Uniform Glow Discharge Surface Plasma. AIAA-98-0328.), в которых для создания дополнительного поля скоростей течения в пограничном слое используется плазма тлеющего разряда или барьерного разряда. Суть работы таких актуаторов заключается в том, что градиент электрического поля вызывает ускорение ионов, которые увлекают основную среду благодаря столкновению частиц;
J. Fluid Mech.
пьезоэлектрические возбудители для манипулирования потоком (см., например, Wiltse, J. M.; and Glezer, A. 1993: Manipulation of Free Shear Flows Using Piezoelectric Actuators. , vol. 249, pp. 261-285). Они управляются периодическим напряжением, которое заставляет их колебаться. Благодаря колебательному движению диафрагмы воздух всасывается и выталкивается через отверстие (щель или дыру), связывая таким образом полость с внешней средой (такой поток стали называть синтетической струей);
вихрегенерирующие струи или пульсирующие турбулизаторы (ПТ). Возбудители такого типа (см., например, Magill, J. C.; and McManus, K. R. 1998: Control of Dynamic Stall Using Pulsed Vortex Generator Jets. AIAA-98-0675) состоят из колебательных импульсов жидкости, впрыскиваемых через отверстия под углом. Эти вихри присоединяют оторвавшийся поток, что ведет к улучшению работы аэродинамических устройств.
Актуаторы, основанные на использовании коронного разряда (см., например, Danna A. Lacoste, David Pai, and Christophe O. Laux, “Ion wind effects in a positive dc corona discharge in atmospheric pressure” AIAA 2004-354, 2005. T.R. Troutt, D.K. Mc Laughlin, "Experiments on the flow and acoustic properties of a moderate Reynolds number supersonic jet", ", J. Fluid Mech., 116, 123 - 156 (1982)), в которых используется ионный ветер, возникающий за счет ускорения заряженных частиц вблизи коронирующих острий как положительного, так и отрицательного знака.
Однако если говорить не только об управлении потоком, но и управлении шумом, то проблема становится намного сложнее.
Особое значение в процессе создания шума турбулентной воздушной средой имеют крупные вихри в турбулентной среде. Поэтому основной целью изобретения является воздействие на вихри максимально простым способом и создание простого и недорогого оборудования для реализации такого способа.
В турбулентном воздушном потоке создаются вихревые кольца, вихревое ядро которых представляет собой колебательную систему с множеством собственных колебаний, различающихся частотой, формой и структурой ближнего поля.
До настоящего времени предпринимались многочисленные попытки снизить шум в турбулентной воздушной среде. Однако эти попытки приводили к созданию шумоподавляющих устройств, обычно существенно влияющих на тяговые характеристики двигателя.
Основной идеей настоящего изобретения является воздействие на вихревые кольца в струе за счет реализации резонансного возбуждения вихревого ядра, не соприкасаясь с реактивной струей и, следовательно, не влияя на тяговые характеристики реактивной струи.
Эта цель достигается за счет того, что устройство для воздействия на вихревые структуры в турбулентной воздушной струе, вытекающей из воздуховыпускного канала, согласно изобретению содержит, по меньшей мере, одну пару игл, расположенных в непосредственной близости к потоку и подключенных к источнику переменного напряжения для создания между иглами пульсирующего коронного разряда, при этом одна игла из пары игл ориентирована в направлении вдоль потока, а другая - поперек потока, обеспечивая резонансное воздействие пульсирующим коронным разрядом на вихревые структуры. Пульсирующие коронные разряды создают пульсирующие микроструи за счет периодического вовлечения частиц газа в движение заряженными ионами, ускоряющимися электрическим полем.
Кроме того, цель достигается за счет того, что согласно способу воздействия на вихревые структуры в турбулентной воздушной струе согласно изобретению в непосредственной близости к воздуховыпускному каналу размещают, по меньшей мере, одну пару игл, расположенных вне потока и подключенных к источнику переменного напряжения, и тем самым создают между ними пульсирующий коронный разряд, при этом одну из пары игл ориентируют в направлении вдоль потока, а другую - поперек потока, в результате чего обеспечивают резонансное воздействие пульсирующего коронного разряда на вихревые структуры.
Предпочтительно, устройство содержит две, четыре или шесть пар игл. Иглы могут быть выполнены из стали или меди. Устройство согласно изобретению может быть использовано в силовой установке авиационного двигателя.
Далее настоящее изобретение будет описано более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг.1 - схематический вид расположения пары игл устройства согласно изобретению;
Фиг. 2 и 3 - виды, иллюстрирующие перемещение вихрей в турбулентном потоке соответственно в отсутствие воздействия устройства согласно изобретению и при воздействии такого устройства; и
Фиг.4 - схема расположения пар игл устройства согласно изобретению для создания резонансного воздействия на вихри в потоке.
Как видно на Фиг.1, пара игл 1 устройства для воздействия на вихревые структуры, образующиеся в турбулентной среде (далее - вихри 5), расположена вблизи турбулентной воздушной струи 3, вытекающей из сопла 4. Иглы 1 подключены к источнику переменного высоковольтного напряжения (не показан), генерирующему высоковольтные положительные приближенно прямоугольные импульсы типа меандр. Фазы разных каналов сдвинуты друг по отношению к другу на полпериода.
Иглы 1 имеют острия, на которых создается пульсирующий коронный разряд, формирующий микроструи 2, стекающие вдоль иглы. Одна из игл 1 является анодом, а другая - катодом. Микроструя является пульсирующим потоком, который создается вновь на каждой половине периода во время действия высоковольтного импульса, а на следующей половине периода, когда разность потенциалов на иглах отсутствует, полностью останавливается. Микроструя состоит из вихревых сгустков, которые порождаются в начале каждого периода на расстоянии порядка 2 мм от острия иглы и движутся со скоростью порядка 5-6 м/сек. При работе игл по двухканальной схеме подключения к генератору высоковольтных импульсов со сдвигом фазы по каждому каналу на половину периода иглы на каждом канале создают независимо друг от друга пульсирующие микроструи. В целом параметры потока микроструй обеспечивают требуемые характеристики воздействия на возбужденные турбулентные струи. Наибольшая скорость микроструи 2 создается вблизи иглы 1 с положительным коронным разрядом и именно эта игла 1 должна быть использована в качестве эффективного разрушителя вихрей. При этом частота пульсаций выбирается высокой для обеспечения резонансного воздействия на вихри 5. Следует отметить, что при амплитуде скорости более 2 м/с, частоте 1000 Гц, расстоянию до вихря ~ 1 см и правильном пространственном расположении игл 1 микроструи 2 могут оказывать заметное резонансное воздействие на вихри 5.
V
Конструкция устройства согласно настоящему изобретению может иметь не одну пару игл 1, показанную на Фиг.1, а несколько пар игл 1, например две, три или более пар игл 1, как показано, например, на Фиг. 4 - три пары игл 1. Было установлено, что такие конфигурации обеспечивают требуемые резонансные воздействия на возбужденные турбулентные струи. При этом имеет место сильное разрушение вихревых колец или вихрей 5 под воздействием пульсирующих микроструй коронного разряда в широком диапазоне скоростей потока =12-30 м/сек.
Следует особо отметить, что эффект разрушения вихревых колец не наблюдается при действии постоянных микроструй, то есть эффект разрушения вихревых колец имеет место под воздействием только пульсирующих микроструй.
На Фиг. 2 и 3 показано прохождение вихрей 5 в турбулентной струе, когда на вихри не оказывается резонансное воздействие пульсирующего коронного разряда (см. Фиг. 2) и когда вихри 5 разрушаются пульсирующими микроструями на начальном участке струи из сопла 4 (см. Фиг.3).
Оптимальным расстоянием между остриями игл анодов и соответствующими им катодами является расстояние порядка 20 мм при напряжении в разряде не выше 23 кВ. Наилучшее расстояние между первой и второй парой игл (в направление потока) оказалось равным порядка 25 мм. Во всех случаях, когда система была настроена не оптимально, вихревые кольца проходили сквозь плоскости воздействия игл-анодов не разрушаясь. С другой стороны, при достижении оптимальных параметров вихревые кольца разрушались. При этом они проходили сквозь первую пару игл-катодов, расположенных на сопле, достигали второй пары игл-анодов, и после второй пары они не наблюдались.
Хотя устройство и способ согласно настоящему изобретению описаны в виде предпочтительных вариантов их осуществления, специалистам в данной области техники будет очевидно множество изменений и модификаций, входящих в объем настоящего изобретения.