Mикроструи коронного разряда как возможные актуаторы для управления шумом струй

Том ХЫ

УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ ЦАГИ 2010

№ 1

УДК 534.83:532.525.2

МИКРОСТРУИ КОРОННОГО РАЗРЯДА КАК ВОЗМОЖНЫЕ АКТУАТОРЫ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ШУМОМ СТРУЙ

В. Ф. КОПЬЕВ, Н. Н. ОСТРИКОВ

Работа посвящена поиску средств активного управления шумом турбулентных потоков, основанных на резонансном разрушении крупных энергосодержащих вихрей. В турбулентных струях для резонансного возбуждения крупных вихрей, имеющих вид вихревых колец, впервые предложено использовать микроструи, возникающие при коронном разряде переменного напряжения. Предложена пространственная конфигурация системы актуаторов из шести игл-анодов для возбуждения бесселевских мод колебаний ядра вихревого кольца. Продемонстрировано наличие эффекта сильного разрушения вихревых колец в диапазоне скоростей потока (12 ^ 30 м/с) и показано, что эффект разрушения вихревых колец чувствителен к настройке оптимальной пространственной конфигурации всей системы актуаторов, включая настройку взаимного расположения каждой иглы-анода и отвечающей ей иглы-катода, а также настройку направления игл-анодов по отношению к направлению потока.

Главный вывод состоит в том, что эффект разрушения вихревых колец носит резонансный характер, так как он достигается только при воздействии пульсирующими микроструями и не достигается при воздействии постоянными микроструями, создающимися высоковольтными источниками постоянного напряжения.

Ключевые слова: управление шумом струй, вихревые кольца, коронный разряд, плазменные актуаторы.

Со времени появления в 50-х годах реактивных пассажирских самолетов одним из основных источников шума является выхлопная струя двигателя. Применение двухконтурных турбореактивных двигателей позволило улучшить акустические характеристики самолетов, однако все более жесткие требования к уровню шума для существующих и разрабатываемых пассажирских самолетов требуют интенсификации работ на этом направлении. Поэтому в настоящее время 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. При этом важно найти такое решение проблемы, которое было бы технически выполнимо, а также приемлемо с экономической точки зрения.

Если говорить не только об управлении потоком, но и управлении шумом, то проблема становится намного сложнее. Устранение причины шума с помощью активного воздействия на излучающую часть турбулентности требует детального понимания основных механизмов возникновения этой причины, т. е. понимания структуры и свойств излучающей турбулентности. На настоящем этапе развития исчерпывающее понимание основных механизмов образования шума, к сожалению, не достигнуто. Только при успешном решении этой основополагающей задачи можно надеяться сформулировать разумную стратегию активного управления шумом турбулентных струй.

Настоящая работа основывается на том, что крупные вихри существенны в процессе излучения шума турбулентной струей в целом [1]. С учетом этого фактора, основная цель работы заключается в попытке научиться управлять этими вихрями в максимально простой ситуации

(малые скорости истечения, возбужденная струя с локализованными в ней вихрями). Эта задача, очевидно, неотделима от задачи поиска самих средств возбуждения вихрей (актуаторов), их расположения в пространстве и способов воздействия на вихри.

Главная особенность данной работы в целом и ее отличие от большинства других, использующих новые типы актуаторов, состоит в том, что сделана попытка прямого воздействия на вихревые структуры путем резонансного возбуждения отдельных мод вихревого кольца. При выборе типа и конфигурации воздействия на вихревые кольца использовалась теория шумообразо-вания в локализованных вихрях [2]. В настоящей работе предложена конфигурация активной системы, состоящая из шести актуаторов, расположенных по кругу в поперечной к струе плоскости и разбитых на две группы, действующих в противофазе, для осуществления возбуждения наклонных колебаний кольца как целого (tilting) и азимутальных колебаний вида третьей азимутальной моды. Обзор различных типов колебаний вихревого кольца приведен в [3].

В качестве актуаторов в работе используются пульсирующие микроструи, получаемые с помощью коронного разряда с переменным напряжением. В отличие от микроструй, создаваемых постоянным напряжением [4 — 6], микроструи пульсирующего коронного разряда исследовались мало. Пульсирующие микроструи отличаются, во-первых, высокой частотой колебаний, которую удается достичь на этом пути (по сравнению с разного рода механическими системами), во-вторых, высокой пространственной «гибкостью» системы, что позволяет получать сигналы не только нужной частоты, но и пространственной структуры. На настоящем этапе стояла задача не только исследования основных свойств пульсирующих микроструй, но и построения на их основе пространственных схем мультиэлектродных конфигураций для получения с их помощью максимального импульса для воздействия на струю [7]. Методика визуализации микроструй, стекающих с коронирующего острия, рассматривалась в [9].

1. Экспериментальное оборудование и методика измерений. Для создания турбулентных струй в диапазоне скоростей 10 — 30 м/с использовалась малая аэродинамическая установка ЦАГИ АУ-1. Сопло было изготовлено из изоляционного материала и имело диаметр выходной части 30 мм. Для возбуждения вихревых колец в струе использовался акустический способ воздействия [8], для чего в успокоительную камеру помещался громкоговоритель. Наибольшая акустическая отдача в данном случае достигалась на частоте 320 Гц, что соответствует числу Стру-халя воздействия Sh ~ 0.5 при скорости струи ~20 м/с.

В качестве актуаторов для создания положительного коронного разряда использовались стальные швейные иглы, отобранные среди прочих как наиболее эффективные с точки зрения создания высоких скоростей микроструй. Для электрического питания актуаторов использовался двухканальный генератор высоковольтных импульсов ДГВИ-1-25, предназначенный для генерирования положительных высоковольтных приближенно прямоугольных импульсов напряжения в течение половины периода по каждому из двух каналов. Особенность используемого генератора состоит в том, что положительные выходы разных каналов гальванически развязаны (это обеспечивает возможность создания по разным каналам положительных коронных разрядов на актуаторах с независимым друг от друга питанием), а фазы разных каналов сдвинуты друг по отношению к другу на полпериода. Для создания коронного разряда постоянного напряжения использовались стандартные высоковольтные источники питания.

Для визуализации степени воздействия микроструй коронного разряда на вихревые кольца в возбужденной струе применялся метод «оптического усреднения» [9], сочетающий интерферометр сдвига и стробоскоп.

Для измерения профиля средних по времени скоростей микроструй, создаваемых переменным источником питания, применялся метод трубки Пито. В воздушный тракт цилиндрического насадка полного давления помещался электрический датчик, способный точно измерять перепады давления величиной ~0.5 Па.

При измерениях поля скоростей непосредственно в активной зоне разряда цилиндрический насадок полного давления изготавливался с использованием диэлектрического материала, вносящего минимальные возмущения в развитие коронного разряда (ток в электрической схеме практически не изменялся в течение длительного времени эксперимента). При этом для получения профиля скорости использовалось координатное устройство, приводящееся в движение прецизионным электрическим мотором, перемещающим трубку поперек микроструи со скоростью всего 0.5 мм/мин.

Для измерения временной зависимости скорости микроструй использовался термоанемометр постоянной температуры 55М01, подсоединяемый к мосту 55М10. Измерения проводились в периферийной для микроструи зоне в течение не более 10 с после включения высокого напряжения, что уменьшало эффект обратного влияния на коронный разряд, связанный с процессом электризации чувствительного элемента термоанемометра.

Для получения профиля средней по времени и временной зависимости скорости микроструй электрический сигнал с датчика давления или термоанемометра подавался на плату National Instruments NI-4472.

2. Пульсирующие микроструи коронного разряда. Цель серии экспериментов, описываемых в настоящем разделе, состояла в изучении газодинамических характеристик микроструи, создающейся коронным разрядом под действием пульсирующего высоковольтного напряжения.

Исследования показали, что скорость потока, создаваемая коронным разрядом, существенно зависит как от знака напряжения, подаваемого на коронирующую иглу, так и от формы ответного электрода. Во-первых, простая перемена полярности подаваемого на электроды постоянного напряжения показала, что коронный разряд на аноде имеет приблизительно в три раза большую скорость, чем на катоде. Во-вторых, эксперименты показали, что двухигольчатая схема зажигания коронного разряда (иголки на катоде и аноде) создает в два-три раза большие скорости на игле-аноде, чем в случае систем игла — шар и игла — кольцо (иглы на аноде). Объяснение этого эффекта состоит в том, что силовые линии электрического поля, выходящие из острия иглы на аноде и приходящие на шар или кольцо, расходятся на большее расстояние друг от друга, чем силовые линии, замыкающиеся на иглу. Тем самым, в зоне дрейфа коронного разряда, отстоящей на расстояние порядка миллиметра от острия, в которой образуется объемная сила, создающая микрострую, электрическое поле оказывается большим для системы игла — игла, что определяет большую скорость микроструи. Близость области действия объемной силы к острию объясняет еще один важный эффект, обнаруженный в данных экспериментах и используемый для конфигурации активной системы в целом: в системе игла — игла направление микроструи на игле-аноде совпадает с направлением самой иглы в широком диапазоне пространственного расположения иглы-катода.

Базовая пространственная конфигурация дана на рис. 1, а. На рис. 1, б представлены данные измерения профиля средней по времени скорости, создаваемой положительной короной переменного импульсного напряжения, для двухигольчатой схемы зажигания коронного разряда. Эти данные демонстрируют факт того, что пульсирующий коронный разряд является эффективным источником создания микроструй. Максимальные средние скорости в поле пульсирующей микроструи вблизи острия иглы-анода достигают 5 — 6 м/с в широком диапазоне амплитуд высокого напряжения. Так как насадок полного давления медленно перемещается во времени поперек микроструи, то пульсации на графике скорости (рис. 1, б) являются следствием низкочастотных

5

6

V, м/с

4

a

+

3

2

d

0

x, мм

L

-1

0

a)

б)

Рис. 1:

а — пространственная конфигурация расположения двух игл; Ь = 10 мм, а = 30 мм (иглы располагаются в одной плоскости; измерение на расстоянии й = 4 мм); б — измеренный профиль скорости для амплитуды подаваемого

напряжения Ug = 16 кВ с длительностью периодического импульса типа меандр T = 0.5 мс

/

а)

б)

Рис. 2:

а — пространственная конфигурация расположения двух игл; Ь = 10 мм, а = 30 мм (иглы располагаются в одной плоскости; измерение термоанемометром на расстоянии ё = 8 мм при амплитуде напряжения ^ = 15 кВ); б — зависимость скорости микроструи от времени

а

+

I, с

Рис. 3. Последовательные кинокадры видеосъемки перемещения вихревого «сгустка» относительно острия (положение вихревого «сгустка» указано стрелкой, удвоение изображения связано с настройкой интерферометра ИТ- 228

на горизонтальный сдвиг)

поперечных временных осцилляций самой микроструи. Эти осцилляции связаны с тем, что развитие коронного разряда при наличии пространственных неоднородностей на иглах носит существенно неустойчивый характер: разряд попеременно перемещается между этими неоднородностями, присоединяясь то к одной, то к другой, создавая газодинамический поток разного направления в разные моменты времени. Осцилляции микроструи хорошо визуализируются теневым прибором и зарегистрированы на видеокамеру.

Для пространственной конфигурации, представленной на рис. 2, зависимость скорости микроструи от времени представлена на рис. 2, б. Как видно из графиков, микроструя является существенно пульсирующим объектом, причем частота пульсаций скорости в точности совпадает с частотой сигнала генератора. Амплитуда скорости оказывается в данных измерениях порядка 3.5 м/с, что, в целом, находится в соответствии с измерениями при помощи насадка полного давления в точке расположения чувствительного элемента термоанемометра. Точное сравнение между этими методами измерений затруднено, так как параметры осреднения насадком полного давления пульсирующего потока зависят от геометрии воздуховодных трактов.

Для более детального исследования структуры пульсирующих микроструй была проведена их визуализация при помощи шлирен-метода с использованием стробоскопического эффекта. Оптическая система была настроена на визуализацию потока вблизи иглы-анода в системе игла — игла, питаемой с одного выходного канала генератора, при его амплитуде и = 15 кВ и длительности сигнала Т = 0.5 мс. На рис. 3 представлены фотографии нескольких последовательных кадров видеосъемки пульсирующей микроструи при условии очень малого рассогласования между частотой пульсаций микроструи и стробоскопа. Оказалось, что развитие микроструи во времени состоит в образовании вихревого «сгустка» на каждом периоде пульсаций на расстоянии примерно 2 мм от острия иглы. Этот «сгусток» далее движется вниз по потоку примерно до 6 — 8 мм, где диссипирует. Оценка длины «сгустка» по фотографиям (~3 мм) при заданной длительности импульса приводит к оценке скорости в ядре микроструи порядка 5 — 6 м/с, что полностью согласуется с результатами термоанемометрического исследования. С другой стороны, на картине визуализации (при помощи стробоскопа и при однократном фотографировании с помо-

щью импульсной вспышки) всегда виден только один «сгусток». Основываясь на длительности жизни «сгустка» и частоте работы генератора (именно с этой частотой появляются «сгустки»), можно прийти к той же самой оценке скорости переноса «сгустка», т. е. скорости в ядре микроструи.

На рис. 4 представлена фотография воздействия микроструй на возбужденную турбулентную струю, сделанная с помощью однократной импульсной вспышки. В этих опытах воздействие осуществлялось с помощью 12 игл (6 игл-анодов и 6 игл-катодов), причем на каждом канале по 3 иглы-анода и 3 иглы-катода.

На фотографиях отчетливо видны вихревые сгустки, образующиеся на иглах-катодах, направленных вдоль потока (иглы-аноды при этом обращены в направлении сдвигового слоя струи для воздействия на вихревые кольца). На разных каналах «сгустки» оказываются на различном расстоянии от кончиков соответствующих игл, что является следствием сдвига фаз на полпериода между импульсами разных каналов. Таким образом, эти фотографии подтверждают, что двухканальная система актуаторов создает пульсирующие микроструи со сдвигом фаз на полпериода.

3. Исследование воздействия шести игл-анодов на вихревые кольца в возбужденной турбулентной струе. Основываясь на обнаруженных свойствах пульсирующих микроструй, мы разработали 12-канальную систему для резонансного разрушения вихревых колец. Все 6 игл-анодов располагались в одной поперечной по отношению к струе плоскости так, что острия игл оказывались в вершинах правильного шестиугольника и были нацелены в направлении сдвигового слоя струи (рис. 5). Расстояние острий игл-анодов до сдвигового слоя выдерживалось около 2 мм так, что они находились вне потока.

Иглы-катоды располагались вдоль струи так, что микроструи, создаваемые ими, не попадали ни в сдвиговый слой, ни в микрострую, создаваемую соответствующей иглой-анодом. При этом три иглы-анода были подключены к одному каналу генератора, а три других иглы-анода — к другому (острия игл-анодов, подключенных к одному каналу, лежали в вершинах правильного треугольника). Оценка собственных частот вихревых колец [8], создаваемых в струе с помощью акустического возбуждения, дает значения в диапазоне от 500 до 2000 Гц. Поэтому длительность высоковольтных импульсов на каждом канале генератора была выбрана равной 0.5 мс, что соответствует частоте воздействия ~ 1000 Гц.

В экспериментах варьировались скорость потока струи и амплитуда высоковольтных сигналов (12 — 25 кВ). Также менялись геометрические параметры системы, такие как удаление игл-анодов от среза сопла, расстояние между иглами анода и катода и т. д. Для сравнения действия на вихревые кольца пульсирующих микроструй с действием микроструй постоянного коронного

Рис. 4. Пульсирующие микроструи, стекающие с катодов вблизи сопла

Рис. 5. Фото 12-электродной системы возбуждения вихрей в струе

Ус = 16 м/с Ус = 20 м/с Ус = 24 м/с

Рис. 6. Резонансное воздействие микроструй на вихревые кольца в струе (скорость струи меняется от 16 до 24 м/с):

а — без воздействия; б — с воздействием

Рис. 7. Скорость струи 30 м/с, система резонансного воздействия на кольца сдвинута от среза сопла вниз по потоку:

а — без воздействия; б — с воздействием

Рис. 8. Отсутствие эффекта разрушения колец с помощью микроструй от постоянного источника:

а — без воздействия; б — с воздействием

разряда были проведены эксперименты с подключением всех шести игл-анодов и отвечающих им шести игл-катодов к источнику постоянного высоковольтного напряжения 25 кВ.

На достигнутой оптимальной настройке всей системы актуаторов были проведены эксперименты по варьированию скорости потока турбулентной струи в диапазоне 12 30 м/с и варьи-

рованию скорости микроструй с помощью изменения амплитуды высоковольтного напряжения. На рис. 6 и 7 представлены фотографии, полученные с помощью однократной вспышки. Как видно, для всех скоростей потока и при максимальном напряжении Ug = 25 кВ имеет место разрушение колец. Затем, при уменьшении напряжения для каждой из скоростей потока эффект сохраняется, но ослабевает, и, начиная с некоторого порогового напряжения (в данном случае это 14 кВ), которое зависит от скорости струи, разрушение колец исчезает. Таким образом, явление разрушения вихревых колец при воздействии пульсирующих микроструй коронного разряда зависит от интенсивности микроструй.

Для подтверждения резонансного характера воздействия пульсирующих микроструй на вихревые кольца в струе система игл, находящаяся в оптимальной пространственной конфигурации, была подключена к источникам постоянного высоковольтного напряжения, при котором через каждую иглу протекал постоянный ток ~15 мкА. Эксперимент проводился при скорости струи V = 12 м/с. На рис. 8 представлены фотографии визуализации результата воздействия в данном случае. Оказалось, что, несмотря на сильное воздействие на сдвиговый слой (на фотографиях отчетливо видны микроструи, бьющие в сдвиговый слой, и всплески на сдвиговом слое от их попадания), вихревые кольца проходили эту зону, не разрушаясь.

Заключение. Данная работа посвящена поиску средств активного управления шумом турбулентных струй путем воздействия на известные механизмы излучения звука. Поскольку в турбулентных струях крупномасштабные энергонесущие вихри имеют вид отдельных вихревых колец [8], главная идея состояла в попытке бесконтактного разрушения вихрей за счет реализации резонансного возбуждения отдельных мод вихревого ядра. Эта идея реализуется впервые. Для резонансного возбуждения вихревых колец в струях предложено использовать микроструи, возникающие при коронном разряде переменного напряжения.

На основе пространственной конфигурации из шести игл-анодов продемонстрировано наличие эффекта сильного разрушения вихревых колец в диапазоне скоростей потока V = 12 — 30 м/с и показано, что разрушение вихревых колец зависит от настройки оптимальной пространственной конфигурации всей системы актуаторов, включая настройку взаимного расположения каждой иглы-анода и отвечающей ей иглы-катода, настройку направления игл-анодов по отношению к направлению потока. Главный вывод настоящей работы состоит в том, что разрушение вихревых колец носит резонансный характер, так как эффект достигается только при воздействии пульсирующими микроструями (вихревыми «сгустками») и не достигается при воздействии постоянными микроструями, создающимися высоковольтными источниками постоянного напряжения.

В работе реализован лишь первый шаг в попытке активного управления шумом дозвуковых струй. Акустическая эффективность полученных результатов будет рассмотрена в дальнейшем на более высокоскоростных струях при исследованиях в заглушенной камере. Это потребует модификации системы актуаторов для осуществления воздействия на более протяженные участки струи. Отметим, что полученные в работе результаты могут быть в перспективе востребованы при разработке новых средств разрушения концевых вихревых жгутов за крылом самолета, управления крупными вихрями в отрывной зоне за плохообтекаемыми элементами самолета и т. д.

Авторы выражают искреннюю благодарность С. И. Иншакову и Л. П. Гурьяшкину за помощь в проведении визуализации на протяжении всех этапов работы, а также Ю. С. Акишеву за консультации и помощь в проведении работ по коронному разряду.

ЛИТЕРАТУРА

1. Kopiev V. F, Zaitsev M. Yu., Chernyshev S. A., Ostrikov N. N. Vortex ring input in subsonic jet noise // Intern. J. of Aeroacoustics. 2007. V. 6, N 4, p. 375 — 405.

2. Kopiev V. F., Chernyshev S. A. Vortex ring eigen-oscillation as a source of sound // J. Fluid Mech. 1997. V. 341, p. 19 — 57.

3. Копьев В. Ф., Чернышев С. А. Колебания вихревого кольца, возникновение в нем турбулентности и генерация звука // Успехи физических наук. 2000. Т. 170(7), с. 713 — 742.

4. Верещагин И. П. Коронный разряд в аппаратах электронно-ионной технологии. — М.: Энергоатомиздат, 1985.

5. Козлов Б. А., Соловьев В. И. Исследование электрического ветра в электродных системах с коронирующими остриями // ЖТФ. 2007. Т. 77, вып. 7, с. 70 — 76.

6. Moreau E. Airflow control by non-thermal plasma actuators // J. Phys. D: Appl. Phys. 2007. V. 40, p. 605 — 636.

7. Копьев В. Ф., Остриков Н. Н., Зайцев М. Ю. Резонансное разрушение вихревых колец в турбулентной струе с помощью пульсирующих микроструй коронного разряда. — Труды третьей школы-семинара по магнитоплазменной аэродинамике. — М.: ОИВТ РАН. 2008, с. 123 — 131.

8. K o p i e v V. F., Z ai t s e v M. Yu., In shako v S. I., Gur ia shkin L. P. Visualisation of large-scale vortex structures in excited turbulent jets // J. of Visualisation. 2003. V. 6, N 3, p. 303 — 311.

9. Копьев В. Ф., Остриков Н. Н., Каравосов Р. К., Иншаков С. И., Гурьяшкин Л. П. Визуализация микроструй коронного разряда при постоянном и импульсном напряжении. — Труды IX международной научно-технической конференции ОМИП. — Москва. 2007, 26 — 29 июня, с. 456 — 459.

Рукопись поступила 30/III2009 г.