Влияние плотности газа на акустические характеристики турбулентной струи

_____УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ Ц А Г И

Т о м X 197 9

№ 1

УДК 534.83:532.525.2

ВЛИЯНИЕ ПЛОТНОСТИ ГАЗА НА АКУСТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТУРБУЛЕНТНОЙ СТРУИ

Е. В. Власов, Р. К. Каравосов

Излагаются результаты экспериментального исследования акустических характеристик неизотермических воздушных струй и изотермических струй гелия и углекислого газа, истекающих в воздух. Рассматривается влияние плотности газа на звуковую мощность, характеристику направленности акустического излучения и спектр шума турбулентной струи. Показано, что наличие градиента плотности приводит к появлению дополнительных источников шума струи монопольного и дипольного типа. Отмечается, что при малых скоростях истечения струя переменной плотности является более эффективным генератором шума, чем струя постоянной плотности.

Изучение влияния плотности газа на акустические характеристики турбулентной струи имеет большое научное и практическое значение. Проведенные исследования [1—4] позволили выявить некоторые особенности этого влияния. Так, в работах [1, 2] на основании многочисленных экспериментов с подогретыми воздушными струями показано, что при больших дозвуковых скоростях истечения уменьшение плотности газа приводит к снижению уровней шума струи. В то же время при малых дозвуковых скоростях истечения наблюдается обратная тенденция. В работе [3] на основе теоретического анализа уравнений, описывающих звуковое излучение струи, делается вывод о том, что при переменной плотности газового потока наряду с квадрупольными источниками шума, интенсивность которых пропорциональна Ф (и — скорость истечения струи), могут возникнуть дипольные и монопольные источники, интенсивность которых пропорциональна и6 и а4 соответственно. Вместе с тем необходимо считаться с дополнительными эффектами рефракции звуковых волн из-за изменения скорости звука в поперечных сечениях зоны смешения струи, которое, в свою очередь, определяется полем температур и составом газа. В результате этого повышение температуры струи приводит к смещению максимума акустического излучения в область больших углов с осью струи. При этом наблюдается значительное уменьшение интенсивности акустического излучения вблизи оси струи. Эксперименты с охлажденной струей [4] дали обратный эффект.

Проведенные до настоящего времени исследования шума неизотермических струй не позволяют однозначно ответить на вопросы: с чем связано изменение интенсивности акустического излучения; определяется ли оно непосредственно неизотермичностью струи, обусловлено пульсациями плотности в струе, или каждый из этих параметров оказывает влияние на генерацию шума?. В этой связи представляют интерес исследования шума изотермических струй переменной плотности, в которых будут отсутствовать источники, связанные с пульса-

циями температуры, но остаются источники, обусловленные пульсациями плотности. В настоящей работе приводятся результаты исследования влияния плотности газа на акустические характеристики как неизотермической, так и изотермической турбулентной струи переменной плотности.

Экспериментальная установка. Методика эксперимента. Исследования проводились в заглушенной камере и на'открытом стенде. При экспериментах в заглушенной камере с воздухом (р = 1,25 кг/м3) использовались сопла диаметром Л = 5; 10 и 30 мм. Скорость истечения воздуха изменялась в диапазоне 50—300 м/с. При экспериментах в заглушенной камере с гелием (р = 0,178 кг/м3) и углекислым газом (р = 1,977 кг/м3) использовались сопла диаметром Л = 5 и 10 мм. Скорость истечения гелия изменялась в диапазоне 50-800 м/с. Газ к соплу подводился от баллонов высокого давления через редуктор, глушитель шума и успокоительную камеру. Сравнительные измерения шума при подаче воздуха от такой системы и от стационарного компрессора с высокоэффективными глушителями, установленными в подводящих трубопроводах, показали полную идентичность результатов.

Эксперименты на открытом стенде проводились с холодными и горячими струями. Использовались сопла диаметром й=?30 и 100 мм. Воздух подводился от компрессорной установки; для подогрева использовалась камера сгорания, работающая на керосине. Перепады давления на срезах исследуемых сопл изменялись в диапазоне яс = 1,2-5-2,2, полная температура на срезе сопл Т0 = = 320-1100 К.

Акустические измерения выполнялись комплектом аппаратуры фирмы Брюль и Къер. Применялись конденсаторные микрофоны типа 4133 и 4135. Измерения шума проводились в горизонтальной плоскости, проходящей через ось струи, на дуге окружности радиусом Я с центром на оси струи в плоскости среза сопла. При измерениях в заглушенной камере значения /? принимались равными 1 или 0,5 м, а при измерениях на открытом стенде— 4 или 1,3 м. Измерительные точки располагались в диапазоне углов 0 < <р < 135° с осью струи с интервалом Дер = 15°. В некоторых случаях использовался один микрофон, который перемещался по дуге окружности с помощью координатного устройства. В ряде случаев применялась многоточечная измерительная система с последовательным опросом микрофонов или с записью на многоканальный магнитный регистратор.

Результаты измерений. Характеристики направленности шума воздушной и гелиевой струй представлены на фиг. 1. При скорости истечения 100 м/с гелиевая струя является более эффективным генератором шума, чем воздушная струя, при скорости 200 м/с шум воздушной и гелиевой струй приблизительно одинаков, а при и = 300 м/с воздушная струя шумит сильнее гелиевой. Такая же зависимость интенсивности шума от скорости истечения при различной плотности газа наблюдалась и для горячих воздушных струй [I].

На фиг. 2 приведена зависимость акустической мощности струи от плотности газа на срезе сопла. Здесь по оси абсцисс отложено отношение плотности р рассматриваемой струи к плотности холодной воздушной струи ро, а по оси ординат — разность между уровнем акустической мощности рассматриваемой струи и уровнем акустической мощности холодной воздушной струи при той же скорости истечения (при скоростях выше 300 м/с акустическая мощность холодной воздушной струи принималась пропорциональной м§). Представленные данные показывают, что в области малых дозвуковых скоростей истечения как

неизотермические воздушные струи,так и изотермические струи гелия излучают значительный дополнительный шум по сравнению с шумом изотермичес-

200м/с

250м/с

-0,В -0,4-—0,2_ —

0,21д?/?0

-12-

данные работы [/] • гелий о 1оздух

о углекислый газ

Фиг. 1

Фиг. 2

кой воздушной струи. При увеличении скорости истечения выше и = 200 м/с доля этого дополнительного шума в общем шуме струи падает, однако лишь при а ~ 700 м/с начинает полностью соблюдаться полученная Лайтхиллом зависимость акустической мощности струи от ее плотности — ~ р2 (прямая, соот-

ветствующая 20^р/р0 на графике).

Приведенные на фиг. 2 точки, относящиеся как к гелиевой струе, так и к горячим воздушным струям, лежат примерно на одних и тех же прямых, каждая из которых соответствует определенной скорости истечения. Это позволяет предположить; что основной источник дополнительного шума в горячих струях обусловлен градиентами плотности, а не температурными градиентами. Струя углекислого газа (более плотного, чем воздух) при малой скорости истечения генерирует также больше шума, чем холодная воздушная струя. Это показы-

<1=10 мм

90

70

90

10

,й-5мм

й=5мм

50

Г— 31»-1 • о гелий боздух г

У Г

и

) /

воздух углекис 'мм аый газ

ъ *

1,5

1,5

1ди

Фиг. 3

Фиг. 4

вает, что дополнительный шум возникает как при положительных, так и при отрицательных градиентах плотности.

Если акустическую мощность струи представить з виде степеннойьфункции от плотности газа № = А (р/ра)ш, то вследствие наличия отмеченных выше эффектов показатель степени ю будет зависеть от скорости истечения струи. При построении такой зависимости (фиг.3) экспериментальные точки, соответствующие изотермическим струям переменной плотности, удовлетворительно согласуются с зависимостью, полученной для горячих струй [1]. Здесь ра—плотность окружающей среды, а —скорость звука в окружающей среде. Точки на фиг. Зг соответствующие струе углекислого газа, определялись на основе соотношения

V ~ (Ра/?)"

0,01 0,02 0,05 0,1 0,2 0,5 1 2 вЬ

-ю

-20

-10

-20

-30

------- р =0,335кг/м\Т0 = 1012К; и = ММ/с

-------$=0,51дкг/м3,Т0=622К ;и=тм/с

Тд=290К;й=10мм] и=200м/с

-----гелий,$=0,П8 кг/м3

—- бозбух,$=1,25 кг/м3

Фиг. 5

На фиг. 4 дана зависимость уровня акустической мощности струи от скорости истечения. При больших дозвуковых скоростях истечения эта зависимость приближается к закону Лайтхилла 8-й степени, при малых скоростях наблюдается более слабая зависимость акустической мощности от скорости. Эти данные соответствуют результатам теоретического анализа [3], который показывает, что наличие градиента плотности приводит к появлению „избыточного” шума, интенсивность которого пропорциональна числу М потока в шестой или четвертой степени. Естественно, что наиболее заметно „избыточный” шум проявляется при малых скоростях потока.

Следует отметить, что при больших дозвуковых скоростях истечения значение коэффициента пропорциональности К при параметре Лайтхилла оставалось практически неизменным для всех исследуемых струй — воздушной, гелиевой и струи углекислого газа.

Сравнение 1/3-октавных спектров акустической мощности холодной и горячей воздушной струи (фиг. 5), а также гелиевой струи показывает, что уменьшение плотности газа при р<ра приводит к относительному снижению акустической мощности на высоких частотах и увеличению на низких частотах. При этом любое уменьшение плотности газа приводит к увеличению угла ф, под которым наблюдается максимальное излучение шума. Этот эффект проявляется особенно заметно при относительно больших скоростях истечения (фиг. 6).

На фиг. 6 по оси ординат отложена разность между измеренным уровнем шума и уровнем шума в той же точке, создаваемым фиктивным источником равной мощности, но со сферической диаграммой направленности. Представленные кривые выражают обобщенные зависимости, полученные для струй гелия, истекающих со скоростями 400—900 м/с, и струй воздуха, истекающих при перепадах давления на срезе сопла яс = 1,4—г-2,2.

Особенности, отмеченные при анализе данных, представленных на фиг. 5 и 6, соответствуют результатам, полученным в работе [1], и подтверждают предположение о единстве механизмов шумообразования в неизотермических воздушных струях и изотермических газовых струях переменной плотности.

ЛИТЕРАТУРА

1. Hoch R. G., Duponchel J. P., Cocking В. J., Bryce W. D. Studies of the influence of density on jet noise. „Journal of

Sound and Vibration*, vol. 28, N 4, 1973.

2. Tanna H. K. An experimental study of jet noise. Part I: Turbulent mixing noise. „Journal of sound and Vibration”, vol. 50, N 3, 1977.

3. M a n 1 R. The influence of jet flow on jet noise. Part 2. The

noise of heated jets. „Journal of Fluid Mechanic”, vol. 73, part 4, 1976.

4. Shubert L. K. Numerical study of sound refraction by a jet flow. „Journal of the Acoustical Society of America”, vol. 51, N 2 (part I), 1972.

Рукопись поступила ЩП 1978 г.