Исследование самовозбуждения колебаний в потоке в аэродинамической трубе и возможности его предотвращения

УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ ЦАГИ

Том XXIII 1992 № 4

УДК 533.6.071.4

ИССЛЕДОВАНИЕ САМОВОЗБУЖДЕНИЯ КОЛЕБАНИЙ В ПОТОКЕ В АЭРОДИНАМИЧЕСКОЙ ТРУБЕ И ВОЗМОЖНОСТИ ЕГО ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ

В. А. Вишняков, А. Г. Прозоров

В плоскости изменения чисел Струхаля и Рейнольдса выделен ряд изолированных областей неустойчивости, которым соответствуют параметры сдвигового течения на выходе из сопла на режимах самовозбуждения пульсаций. Сотовой панелью в слое смешения свободной струи на входе в кольцевой раструб диффузора полностью предотвращены связанные низкочастотные гидродинамические и акустические возмущения в аэродинамической трубе.

Проблема самовозбуждения интенсивных колебаний скорости и генерирования в потоке тонального шума в аэродинамических трубах с открытой рабочей частью детально анализировалась в исследованиях [1—4]. Результатом анализа [1] стала модель, согласно которой на режимах самовозбуждения образование кольцевых вихрей вокруг свободной струи, порождающих акустические возмущения, регулируется последними непосред'ственно на срезе сопла. Позднее было установлено [3, 4], что на этих режимах плоские гидродинамические волны, обусловливающие существенное возрастание пульсации скорости в ядре потока, появляются уже внутри сопла. Формирование плоских волн, распространение их вниз по течению и излучение узкополосного шума становятся возможными в результате возникновения в пограничном слое на стенке сопла интенсивных низкочастотных колебаний с большой азимутальной корреляцией и, далее, кольцевых вихрей вокруг свободной струи. Соответствующей указанному концепции взаимодействия вихревых и акустических мод колебаний в потоке при их самовозбуждении нет.

Вероятно, поэтому предложенные ранее способы [1—3] предотвращения возрастания пульсаций в открытой рабочей части аэродинамических труб, как правило, не имеют исчерпывающего физического объяснения и четко очерченных границ возможного использования. Так, из исследования [3] осталось неясным, может ли сотовая панель в слое смешения свободной струи перед входом в кольцевой раструб диффузора полностью предотвратить самовозбуждение пульсаций в том случае, когда пограничный слой на выходе из сопла будет турбулентным.

В связи с изложенным настоящая работа имела целью продолжить исследования самовозбуждения пульсаций и возможности полного его предотвращения сотовой панелью.

1. Эксперименты проводились в аэродинамической трубе замкнутого типа с открытой рабочей частью длиной 250 мм, соплом со степенью поджатия п = 8 и диаметром на выходе (1С = 150 мм, кольцевым раструбом на входе в диффу-

зор; отверстий в стенках диффузора нет. Скорость потока в рабочей части изменялась в пределах К00 = 7...43 м/с, что соответствует диапазону чисел Рейнольдса 1?е= (0,7 ... 4,3) • 105. Здесь Ие= У00(іс/\, \ — кинематический коэффициент вязкости воздуха.

В исследовании определялись интенсивности и узкополосные спектры пульсаций скорости и статического давления е„, Аец (/) и ер, Ь (/% а также осциллограммы Пульсаций. Здесь ец = (м'2) 1/2/и, вр — (р'2) ,/2/^00, </00 = рКІ>/2, и' и р' — пульсационные составляющие мгновенных значений продольной компоненты скорости и статического давления, и — осредненная по времени составляющая мгновенного значения скорости, р — плотность воздуха, / — частота пульсаций,! — уровень пульсаций давления.

В измерениях использовались термоанемометр постоянной температуры 55Э05 и милливольтметр 55035 фирмы «Диса электроник>, шумомер 00026, узкополосный спектроанализатор 01025, самописец 02013, конденсаторный микрофон МК 102/МУ 102 1?РТ, мультиметр СІ-107, термонасадок с корпусом диаметром 3 мм и нитью диаметром 5 мкм. Пульсации анализировались в

0 1 г 3 4 *е*«Г5

перед кольцевым раструбом диффузора, 4 — турбулизатор внутри сопла и сотовая панель с отверстием <1оп = 140 мм перед раструбом

диффузора

Рис. 1

диапазоне частот / = 5 ... 2000 Гц, на которые приходилась основная энергия колебаний. Пульсации статического давления и их спектры исследовались в ближнем поле свободной струи на удалении х = 37 мм от среза сопла и г= 190 мм от оси рабочей части.

В исходном случае, когда сотовыми панелями предотвращалось самовозбуждение колебаний [3], пограничный слой на выходе из сопла был ламинарным [2, 3]. Изменение режима течения вблизи стенки сопла осуществлялось путем установки на ней в плоскости х ж — 80 мм кольца из стальной проволоки диаметром 1 мм.

Для воздействия на структуру потока перед входом в кольцевой раструб диффузора использовались три сотовые панели с гексагональными ячейками. Одна панель имела толщину /п= 15 мм, ячейки со сторонами длиной х„ = 3 мм и отверстие для беспрепятственного прохода основной массы воздуха в диффузор с?отв= 150 мм. У второй панели = 25 мм, 5П = 3 мм, ^отв= 140 мм. Наконец, третья панель толщиной 20 мм со стороной ячейки 5„ = 5 мм отверстия не имела. При постановке экспериментов и анализе их результатов широко использовались данные проведенных ранее детальных измерений [3] в различных частях тракта рассматриваемой аэродинамической трубы.

2. Определенные в экспериментах интенсивности и узкополосные спектры пульсаций скорости на оси свободной струи (х = 90 мм, г = 0) и статического давления 6 ее ближнем поле свидетельствуют о том, что в исходном случае в исследованной области значений чисел Рейнольдса (0,7...4,3) -105 интенсивные низкочастотные колебания самовозбуждаются в двух диапазонах Ие (рис. 1) . Эти пульсации обусловлены формированием в неустойчивом сдвиговом течении крупномасштабных структур с большой азимутальной корреляцией. При установке турбулизатора на поверхности сопла интенсивные пульсации возбуждаются еще в одном, третьем диапазоне чисел Рейнольдса. Значения е„ и ер при самовозбуждении пульсаций увеличиваются в 3—5 раз по сравнению с наблюдаемыми на других режимах. Частоты составляющих пульсаций /а, обусловливающих увеличение еи и ер, в исходном случае и при установке на стенке сопла турбулизатора весьма близки (рис. 2). В последнем случае, кроме того, становятся заметными при больших числах Рейнольдса узкополосные возмущения, не выделявшиеся на общем фоне в исходном случае. Уровни этих низкочастотных составляющих пульсаций тем больше, чем ближе их частота к одной из собственных частот акустического резонатора, каковым является часть тракта аэродинамической трубы.

Вместе с тем из анализа спектров пульсаций скорости и давления следует, что узкополосные гидродинамические и акустические возмущения, но меньшей, чем при самовозбуждении, интенсивности генерируются и на режимах вне двух-трех упомянутых диапазонов чисел Рейнольдса. Очевидно, на этих режимах крупномасштабные структуры в сдвиговом течении также инициируют формирование в потоке плоских гидродинамических волн с небольшой амплитудой.

Сами эти структуры появляются в трубе в результате неустойчивости течения как в пограничном слое на стенке сопла при заметном поджатии в нем потока, так и в слое смешения струи. Следует обратить внимание на сохранение такого рода крупномасштабных структур с большой азимутальной корреляцией и в турбулентном пограничном слое на стенке сопла вниз по потоку за кольцом на его стенке [3]. Частоты узкополосных возмущений / = 2л[в\/УІ0 или числа Струхаля БЬ = /Вйс/К00 и найденные ранее [3] для соответствующих режимов числа Рейнольдса И* = Уао6*/х могут быть использованы для определения областей неустойчивости в плоскости изменения двух параметров сдвигового течения — I—Я* или БЬ — И*. Здесь 6*—толщина вытеснения пограничного слоя на выходе из сопла. Построение зависимостей / (И*) и ЭИ (И*) обнаружило существование в рассматриваемом случае в отличие от наблюдаемого при продольном обтекании пластины [5] четырех областей неустойчивости (рис. З, Н = 6*/8** — формпараметр, б**—толщина потери импульса пограничного слоя на выходе из сопла).

Re = 2,5X 10s, обозначения те же, что на рис. 1

Рис. 2

Этот результат анализа экспериментальных данных весьма напоминает полученный в расчетах [6], где исследовалось взаимодействие связанных акустических и вихревых мод колебаний в камере сгорания ракетного двигателя. Возможно, именно множественностью областей неустойчивости, хотя и иной, чем в рассмотренных плоскостях, объясняется существенно немонотонный характер зависимостей eu (Shs, = const), наблюдавшийся при генерировании динамиком в обратном канале или в форкамере труб звука чистого тона [2].

Обращает на себя внимание большая, чем в исходном случае, интенсивность пульсаций скорости в ядре потока и давления вблизи струи при установке турбулизатора на стенке сопла (см. рис. 1 и 2). Очевидно, это вызвано тем, что при большей толщине пограничного слоя после турбулизатора и соответственно слоя смешения свободной струи в них формируются более интенсивные колебания и вихри, инициирующие потенциальные колебания с большей амплитудой.

Помимо указанного, пульсации скорости исследовались также в потоке внутри сопла на различных расстояниях от его среза и оси. Определение спектров подтвердило вывод [1, 3] о том, что плоские гидродинамические волны формируются уже внутри сопла. Измерениями спектров вблизи поверхности установлено, что кольцо внутри сопла, действительно, обеспечивает турбулентный режим течения в пограничном слое на выходе из него в исследованном диапазоне чисел Рейнольдса.

Рис. 3

3. В предшествующем исследовании [3] определено оптимальное место установки сотовых панелей (СП) перед входом в кольцевой раструб диффузора. Соответственно в настоящей статье рассматривался только этот вариант размещения СП в открытой рабочей части аэродинамической трубы.

Результаты использования панелей в случае, когда пограничный слой на выходе из сопла был турбулентным, оказались практически такими же, как и в экспериментах [3]. Наиболее эффективными были панели без отверстия и с отверстием йота = 140 мм. При числах Ие= (1,5; 2,5; 3,5) -10 в месте установки датчиков интенсивности пульсаций скорости уменьшались в 4—5 раз и пульсаций давления в 2,5—9 раз (см. рис. 1). Уровень шума вблизи открытой рабочей части снижался на 19 дБ. Как следует из спектров пульсаций (см. рис. 2), это уменьшение обусловлено тем, что в свободной струе не возникало самовозбуждения низкочастотных колебаний. При установке перед кольцевым раструбом сотовой панели с отверстием с1та = 150 мм самовозбуждение пульсаций полностью не предотвращалось.

Рассматриваемые эксперименты были поставлены после анализа результатов проведенных ранее исследований в аэродинамической трубе, где на выходе из сопла диаметром 440 мм пограничный слой на его стенке был близок к турбулентному и СП не предотвращала полностью самовозбуждения

низкочастотных колебаний. Из приведенных здесь данных следует, что при надлежащем воздействии на крупномасштабные структуры в слое смешения свободной струи перед диффузором самовозбуждения пульсаций, в принципе, можно избежать, по-видимому, всегда.

В заключение, основываясь на данных экспериментов в двух упомянутых трубах, следует отметить, что при взаимодействии связанные акустические и гидродинамические колебания могут самовозбуждаться в отличие от приведенного на рис. 1 в неодинаковой степени.

ЛИТЕРАТУРА

1. Стрелков С. П., Бендриков Г. А., Смирнов Н. А. Пульсации в аэродинамических трубах и способы демпфирования их.— Труды ЦАГИ, 1946, № 593.

2. Зосимов А. В. Акустический метод управления пульсациями скорости и давления в аэродинамических трубах с открытой рабочей частью.—

Труды ЦАГИ, 1986, вып. 2292.

3. Белопольская Л. Л., Каравосов Р. К., Прозоров А. Г. Исследование развития пульсаций в потоке в аэродинамической трубе с открытой рабочей частью и возможности предотвращения автоколебаний.—

Сб. трудов международного семинара «Проблемы моделирования в аэродинамических трубах», т. II, Новосибирск, 1989.

4. Каравосов Р. К., Прозоров А. Г. Течение внутри сопла аэродинамической трубы и возникновение в ней тонального шума.— Тезисы докладов IX научно-технической конференции по авиационной акустике, 1989.

5. Шлихтинг Г. Возникновение турбулентности.— М.: Изд. иностр. лит-ры, 1962.

6. Чжун Т. Д., С о н Д. Л. Взаимодействие связанных акустических и вихревых мод колебаний.— Аэрокосмическая техника, 1987, № 4.

Рукопись поступила 3/Х11 1990 г.