Снижение уровня фонового шума в рабочей части аэродинамической трубы при трансзвуковых скоростях потока

_______УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ Ц А Г И

Том XXI 1990

№ 2

УДК 533.6.071.6: 534.83

СНИЖЕНИЕ УРОВНЯ ФОНОВОГО ШУМА В РАБОЧЕЙ ЧАСТИ АЭРОДИНАМИЧЕСКОЙ ТРУБЫ ПРИ ТРАНСЗВУКОВЫХ СКОРОСТЯХ ПОТОКА

А. Г. Ереза, В. Г. Микеладзе, А. Г. Мунин, Е. П. Столяров, Р. Д. Филиппова, А. Н. Шлягун

Представлены результаты экспериментальных исследований фонового шума в рабочей части аэродинамической трубы с перфорированными стенками. Определены основные источники этого шума при трансзвуковых скоростях потока, показаны пути снижения уровня фонового шума и эффективность использованных для этой дели способов.

Большинство действующих трансзвуковых аэродинамических труб обладает весьма высокими уровнями фонового шума в рабочей части, что существенно усложняет, а иногда и делает невозможным получение достоверной информации при исследованиях нестационарных процессов (аэроакустических нагрузок, бафтинга, флаттера и т. п.). Суммарные уровни и спектральные характеристики пульсаций давления на стенках рабочей части и в поле течения существенно зависят как от конструкции аэродинамической трубы, так и от режимов ее работы, и весьма разнообразны [1, 2]. Это обстоятельство затрудняет или делает невозможным сравнение результатов, полученных в разных установках, поэтому весьма актуальной и важной практической задачей при исследованиях нестационарных процессов является максимально возможное снижение уровней нестационарных возмущений в рабочей части трубы.

Одним из наиболее мощных источников возмущений в аэродинамической трубе является система привода (компрессоры в трубах постоянного действия, входные дроссели и эжекторы в трубах периодического действия). Нестационарное вихреобразование на элементах привода вследствие нелинейности процессов порождает, как правило, широкополосный шум и турбулентность потока, которые по мере распространения по контуру трубы частично ослабляются и могут быть дополнительно снижены путем применения звукопоглощающих облицовок, различного вида шумоглушащих устройств и детурбулизирующих сеток. Вторым не менее мощным источником нестационарных возмущений служит сама рабочая часть с перфорированными стенками и окружающими

Ю

рабочую часть полостями, в том числе камерой Эйфеля. Нестационарное вихреобразование на отверстиях перфорации и возбуждение резонансных частот в системе рабочая часть — перфорированные стенки — камера Эйфеля могут оказаться определяющими в уровнях и спектрах пульсаций давления в рабочем поле аэродинамической трубы. Первоочередной задачей в таком случае оказывается снижение уровней возмущений, порождаемых перфорированной рабочей частью аэродинамической трубы.

В рассматриваемой трансзвуковой трубе (рис. 1) при стандартных режимах работы воздух от системы газгольдеров через задвижку напорного эжектора поступает в тракт трубы, проходит через диффузор, два поворотных колена с направляющими лопатками, хонейкомб, форкаме-ру, регулируемое сопло и поступает в рабочую часть. Далее воздух через регулируемый сверхзвуковой диффузор, три поворотных колена с направляющими лопатками и выхлопные ворота частично выбрасывается в камеру шумоглушения. Через напорный эжектор с регулируемыми створками воздух частично возвращается в тракт трубы. Регулировка числа М потока в рабочей части в диапазоне трансзвуковых скоростей осуществляется путем изменения давления в напорном эжекторе с помощью задвижки напорного эжектора или изменением критического сечения сверхзвукового диффузора. Возможна также работа трубы при подаче воздуха из газгольдеров через задвижку всасывающего эжектора и всасывающий сверхзвуковой нерегулируемый эжектор. В отдельных случаях допустима также работа трубы в прямоточном варианте, когда воздух из газгольдеров через задвижку напорного эжектора поступает в тракт трубы и полностью выбрасывается через ворота выхлопа (без возврата через напорный эжектор).

Наиболее мощными источниками шума в тракте трубы являются задвижки и эжекторы, шум которых попадает в рабочую часть при распространении как по потоку, так и против него. Другим мощным источником шума является сама рабочая часть трубы со всеми ее элементами: перфорированными стенками, щелями автоотсоса, технологическими отверстиями и камерой давления (камерой Эйфеля). Перфорированные горизонтальные (верхняя и нижняя) панели, через которые

Рис. 1. Схема аэродинамической трубы:

1 рабочая часть, 2—напорный эжектор, 3—задвижка напорного эжектора; 4~ всасывающий эжектор; 5—задвижка всасывающего

эжектора; 6—измерительный конус

рабочая часть сообщается с подпанельным пространством и камерой давления, и перфорированные боковые панели, через которые рабочая часть связана с камерой давления, обеспечивают получение трансзвуковых режимов работы трубы. В отличие от горизонтальных стенок, представляющих равномерно перфорированные по всей площади панели, на боковых стенках имеются три последовательно размещенных окна с перфорированными панелями. Каждая из горизонтальных панелей имеет отверстия, расположенные рядами с шагом — 50 мм, расстояние между рядами —110 мм, диаметр отверстий равен 40 мм. При этом локальный коэффициент перфорации составляет —23%, средний, равный отношению площади всех отверстий к площади горизонтальной панели, составляет — 18%. Конструктивно горизонтальные перфорированные панели выполнены таким образом, что их эффективная проницаемость может быть изменена путем поворота продольных подвижных валов с отверстиями, оси которых совпадают с осями отверстий в панели. В зависимости от угла поворота вала отверстия вала частично или полностью перекрывают отверстия панели.

Штатные боковые перфорированные панели имеют отверстия диаметром 35 мм, расположенные в шахматном порядке. Шаг отверстий

— 40 мм, расстояние между рядами —35 мм, локальный коэффициент перфорации —68%, средний —60%.

Другим источником пульсационных помех являются щели автоотсоса между диффузором и верхней и нижней перфорированными панелями в конце рабочей части, через которые осуществляется эжектирование воздуха из подпанельного пространства и создаются условия для эффективной работы перфорации. Размер щели зависит от угла поворота панелей ((ап. р. ч = 0 — 2°) относительно их переднего по потоку конца. Максимальная щель имеет место при горизонтальном положении панелей, щель полностью отсутствует при угле отклонения панелей на 2°. Для получения трансзвукового потока полностью закрыть отверстия перфорации и устранить щель нельзя. Более того, с целью максимального уменьшения индукции стенок и обеспечения равномерности поля средних скоростей подбирается определенный оптимальный для каждой модели процент перфорации стенок и угол установки панелей рабочей части. При этом угол установки панелей при переходе от дозвуковых чисел Маха к сверхзвуковым без остановки трубы автоматически уменьшается по сравнению с первоначально выбранным.

В рабочей части расположена вертикальная стойка для крепления державки с моделью, а в нижней и верхней панелях имеются продольные технологические щели, обеспечивающие независимое перемещение стойки и панелей рабочей части и образующие дополнительную связь рабочей части с подпанельным пространством и камерой давления. Обтекание стойки потоком и перетекание воздуха через прорези приводит к возникновению пульсаций давления, что также дает вклад в фоновый шум в рабочей части труб,ы.

Исследование пульсаций давления в потоке (фонового шума) трубы представляет сложную задачу, поскольку датчики, размещаемые в потоке, находятся в пограничном слое, характеристики которого зависят от обтекаемого тела. В результате датчик воспринимает пульсации давления, присущие трубе, но преобразованные пограничным слоем обтекаемого тела. С целью получения достоверной информации об источниках и уровнях фонового шума измерения выполнялись в рабочей части (на стенке трубы и в ядре потока на поверхности измерительного конуса), в камере давления и в форкамере.

Конус с углом раскрытия 15° располагался под нулевым углом атаки на оси рабочей части на месте установки исследуемых моделей. Приемник пульсаций давления был заделан заподлицо на боковой поверхности конуса в области развитого турбулентного пограничного слоя. Измерительная точка на боковой стенке располагалась в том же сечении рабочей части, что и конус. В качестве приемника пульсаций давления на конусе и стенке использовались тензорезистивные датчики с диаметром чувствительного элемента 2,2 мм, предназначенные для работы в диапазоне частот 0—20 кГц при уровнях звукового давления Ь>110 дБ. Измерения в камере давления и форкамере, где скорости потока невелики, выполнялись конденсаторными микрофонами. В форкамере микрофон был снабжен ветрозащитным шаром.

Сигнал с приемников давления подавался на усилители и записывался на многоканальный магнитный регистратор. Обработка результатов измерений производилась с помощью анализаторов реального времени в частотных диапазонах 0—5 кГц (А/=12,5 Гц), 0—1 кГц (Д/ = 2,5 Гц) и в третьоктавных полосах частот. Результаты измерений представлены в виде зависимостей среднеквадратичных уровней пульсаций давления, отнесенных к стандартному уровню звукового давления ро = 2-10“5 Н/м2, от частоты.

Программа исследований фонового шума предусматривала измерения в околозвуковом диапазоне скоростей при различных состояниях регулирующих устройств и стенок рабочей части. Основное внимание уделялось исследованию фонового шума в рабочей части при стандартных условиях работы трубы: перфорация горизонтальных и вертикальных стенок рабочей части полностью открыта, изменение скорости потока проводится регулированием давления в напорном эжекторе. При стандартных условиях исследовалось также влияние угла установки горизонтальных панелей (ап. р. ч) и изменения давления в форкамере (числа Ие).

Та б л и ц а 1

Число М потока 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1

^-21 дБ 143 148 155 152 153 154

С целью определения вклада в уровень пульсаций давления различных источников в рабочей части измерения проводились при гладких горизонтальных стенках и открытой перфорации боковых стенок, затем наоборот, при гладких боковых стенках и открытой перфорации горизонтальных панелей с коэффициентом перфорации —18%, —12% и

— 6%. В той же серии экспериментов проводилась оценка вклада в уровни пульсаций давления технологических щелей и отверстий путем закрывания их непроницаемыми заглушками. Сравнительная оценка шума, связанного с системами привода (задвижками и эжекторами), при полностью закрытой перфорации была проведена при работе с помощью напорного эжектора, всасывающего эжектора и в прямоточном варианте работы трубы. При этом режимы (числа Маха) задавались путем изменения площади критического сечения сверхзвукового диффузора.

Суммарные уровни пульсаций давления в рабочей части (в полосе частот 0—31,5 кГц) при одном из стандартных режимов работы трубы и различных числах М потока представлены в табл. 1.

Рис. 2

Характерным в спектрх пульсаций давления (рис. 2) является наличие ряда дискретных составляющих. Наиболее интенсивная из них наблюдается на частоте, возрастающей с увеличением числа М потока от

— 200 Гц до —280 Гц (соответственно при М=0,6 и 1,1). Ее уровень превышает широкополосный шум в низкочастотной области спектра на 15—25 дБ и достигает —150 дБ. При детальном анализе в узких полосах частот (Д/ = 2,5 Гц) составляющих спектра в диапазоне /<1000 Гц отчетливо заметны вторые гармоники этой частоты и другие нестабильные низкочастотные дискретные составляющие шума. Уровни и частоты наиболее интенсивных дискретных составляющих даны в табл. 2.

Таблица 2

\ Число М потока Частота и уровень пульсаций 0,6 0.7 0.8 0.9 1,0 1Д

Л, Гц 208 225 240 290 260 275 283

1*1, дБ 127 132 149 139 140 141 143

и, Гц — 450 480 — 518 545 563

£2» дБ — 121 132 — 125 126 134

Второй характерной особенностью спектров пульсаций давления при стандартной работе трубы является наличие на всех исследованных режимах широкополосного максимума в области частот 1800—2000 Гц. Величина этого максимума возрастает с увеличением числа М потока от —120 дБ (М=0,6) до ~ 130 дБ (М = 0,9—1,1). При сверхзвуковых скоростях потока уровни дискретных составляющих и широкополосного максимума заметно уменьшаются с ростом числа Маха и при М>1,4 полностью пропадают.

Приведенные уровни как дискретных составляющих, так и широкополосного максимума не являются стабильными при фиксированном числе М набегающего потока. Так, увеличение полного давления в фор-

Рис. 3. Влияние различных условий работы трубы на спектры пульсаций давления в рабочей части (М=0,8):

а—числа Ие; б—угла установки горизонтальных перфорированных панелей; в—наличия перфорации на стенках рабочей части и использования различных приводных устройств:

1—стандартные условия, открыты горизонтальная и боковая перфорации; 2—закрыта боковая, открыта горизонтальная перфорации; 3—закрыты горизонтальная и боковая перфорации, работа от напорного эжектора; 4—закрыты горизонтальная и боковая перфорации, работа от всасывающего эжектора

камере (соответственно числа Яві потока) при М = 0,8 (рис. 3, а) привело к росту широкополосного максимума от 127 дБ (Ке4= 1,74-107) до 135 дБ (Ке! = 3,8-107). Изменение уровня наиболее интенсивных дискретных составляющих при этом показано в табл. 3.

Таблица 3

Число ^\Неі-10-7 1, дБ 1,74 2,34 2,43 2,66 3,04 3,8

на / = 240 Гц 149 151 151 138 148 153

на / = 290 Гц 139 143 143 151 146 134

Аналогичные изменения в уровнях широкополосного максимума происходят с увеличением высоты уступа за рабочей частью (с уменьшением ап. р.ч)- Кроме заметного повышения уровня максимума

(рис. 3,6), в спектрах появляются дополнительные широкополосные максимумы, соответствующие высшим гармоникам основного возбуждения. Такое же изменение в уровнях широкополосного максимума наблюдалось при значительной загрузке рабочей части трубы (испытания крупномасштабных моделей или натурных изделий). Отсюда следует, что для снижения уровня пульсаций давления в рабочей части и уменьшения неоднородностей в спектрах целесообразно использовать наибольшие из допустимых углы отклонения горизонтальных панелей.

Отмеченные особенности в спектральных характеристиках пульсаций давления в рабочей части трубы имели место как на конусе, так и на стенке рабочей части. Несмотря на то, что толщина пограничного слоя и его состояние на конусе и стенке значительно отличаются, частоты и уровни дискретных составляющих и широкополосного максимума в этих точках достаточно близки. Особенностью спектров пульсаций давления в камере давления является наличие того же набора дискретных составляющих при каждом числе М потока, что и в рабочей части трубы. Наиболее интенсивной также является составляющая с частотой, изменяющейся в диапазоне /=200 — 280 Гц. В отличие от рабочей части в спектрах пульсаций в камере давления наблюдается резкий спад уровня на частотах 700—1500 Гц и почти полное исчезновение, максимума в области 1800—2000 Гц. Спектры пульсаций давления в фор камере характеризуются отсутствием резко выраженных дискретных составляющих, имеющих место в рабочей части трубы, и быстрым спадом уровня в области высоких частот.

Анализ полученных результатов показывает, что при стандартном режиме работы трубы с полностью открытой перфорацией основным источником возбуждения дискретных составляющих и широкополосного максимума в области частот /«*2000 Гц является сама рабочая часть. Подтверждением этому служит также серия исследований при последовательном закрывании отверстий боковой и горизонтальной перфорации. Устранение боковой перфорации приводит к полному исчезновению интенсивных дискретных составляющих (рис. 3, в), широкополосный максимум при этом остается практически неизменным. Закрывание отверстий горизонтальных панелей привело к исчезновению широкополосного максимума, интенсивные дискретные составляющие при этом не изменились.

Таким образом, основные дискретные составляющие являются следствием взаимодействия потока с боковой перфорацией, широкополосный максимум связан с образованием звука при перетекании воздуха через отверстия горизонтальных панелей. Устранение отдельных нестабильных низкочастотных дискретных составляющих было достигнуто путем закрывания технологических щелей специальными заглушками.

При полностью закрытой перфорации фоновый шум определяется приводными устройствами в тракте трубы. Как и следовало ожидать, несколько меньший фоновый шум во всем диапазоне частот наблюдался при работе от всасывающего эжектора, поскольку при этом в сверхзвуковом диффузоре за рабочей частью создавалось звуковое течение, препятствующее распространению звуковых колебаний навстречу потоку, а по потоку интенсивность звука снижалась за счет значительно увеличившегося пути его распространения до рабочей части. При работе в прямоточном варианте наблюдается незначительное увеличение фонового шума по сравнению со стандартным режимом работы трубы. Однако при этом значения числа Ив! изменялись от ~1,3-107 (всасывающий эжектор) и ~1,9-107 (стандартные условия) до -3-107 (прямоточный вариант).

Частичное перекрытие отверстий горизонтальной панели (до ~12% и —6%) при стандартных условиях работы трубы показало, что —6% открытой поверхности отверстий обеспечивают спектр пульсаций давления практически такой же, что и при полностью закрытой перфорации при всех числах Маха в рабочей части. Увеличение площади открытых отверстий до —12% привело к возникновению широкополосного максимума как и при полностью открытых отверстиях горизонтальной панели.

Таким образом, простейшим способом снижения уровней фонового шума и устранения особенностей в спектрах без доработок рабочей части является применение малых ( — 6%) коэффициентов перфорации горизонтальных панелей при гладких боковых стенках и заглушках на технологических щелях. Правда, этот способ может быть применен только при проведении испытаний сравнительно небольших моделей, когда индукция стенок слабо влияет на поле скоростей. Если по условиям индукции требуется использовать большие коэффициенты перфорации стенок, указанный способ проведения исследований неприменим.

Известно, что одними из эффективных средств снижения интенсивности вихреобразования в отверстиях панелей, и следовательно, генерации звука является уменьшение диаметра отверстий перфорации или установка мелкой сетки в отверстиях панели. Однако при этом пропорционально густоте сетки уменьшается общая степень проницаемости стенок рабочей части, и для ее восстановления необходимо увеличить степень перфорации, что является трудноосуществимым в условиях работающей промышленной аэродинамической трубы. В рассматриваемой трубе с целью снижения уровня фонового шума практически без изменения проницаемости горизонтальных стенок рабочей части (при гладких боковых) были разработаны съемные сетчатые панели. Установка сетчатых панелей при одновременном устранении боковой перфорации и технологических щелей привела к исчезновению дискретных составляющих и широкополосного максимума при общем снижении уровня пульсаций во всем диапазоне частот (рис. 4). Наибольшее снижение, достигающее 12—-15 дБ в области максимума, наблюдается при числах Маха 0,8—1,0, т. е. там, где в отсутствие сетчатых панелей имеют место наибольшие уровни пульсаций. В широком диапазоне частот 1—10 кГц уровни фонового шума снижаются на 5—10 дБ в зависимости от режима работы трубы.

Улучшение пульсационных характеристик потока в рабочей части не может рассматриваться в отрыве от вопроса о влиянии использованных для этой цели устройств на осредненные характеристики поля течения. Сравнение полей чисел М при стандартном состоянии рабочей части и при наличии сетчатых панелей, заглушек и глухих боковых стенках показало, что в последнем случае поля чисел М являются более равномерными.

В результате выполненных исследований по снижению уровня фонового шума достигнуты условия в рабочей части трубы, позволяющие повысить надежность исследований пульсационных характеристик на поверхности моделей летательных аппаратов и суммарных аэродинамических характеристик моделей в трансзвуковом диапазоне чисел Маха. Уменьшение суммарного уровня фоновых пульсаций привело, в частности, к затягиванию перехода ламинарного пограничного слоя в турбулентный, более четкой фиксации границы перехода и в конечном счете К уменьшению сопротивления трения Сх о и некоторому увеличению аэродинамического качества К (рис. 5). Смещение границы перехода, в свою очередь, оказало воздействие на характер отрывного течения,

2—«Ученые записки» № 2

17

Рис. 4. Спектры пульсаций давления в рабочей части трубы (М=0,8): а—анализ в узких полосах частот Ы — 12,5 Гц;

б—анализ в третьоктавных полосах частот: /—стандартная рабочая часть, ап. р, Ч—Г; 2—модернизированная (установлены сетчатые панели, заглушки, закрыта боковая перфорация), ап. р. ч = ^°30

Рис. 5. Влияние фонового шума на течение в пограничном слое на поверхности крыла (а) и суммарные аэродинамические характеристики (б) модели пассажирского самолета: Измерения: /—в стандартных условиях; 2—после модернизации рабо-

чей части:

а —- М=0,7; а=5° (угол атаки); б — М = 0,8; Яе^ =2  !06

а следовательно, и на коэффициент подъемной силы сутах и коэффициент продольного момента Мга. Подобное влияние фонового, шума на измеряемые аэродинамические характеристики следует учитывать при сравнении результатов, полученных в разных аэродинамических трубах, особенно при изучении эффектов вязкости.

ЛИТЕРАТУРА

1. Mabey D. G. The influence of flow unsteadiness, on wind tunnel measurements at transonic speeds. — RAE Tech. Memo. Aero., 1973, N 1473.

2. Турбулентность и фоновый шум в рабочих частях аэродинамических труб. — Обзор ОНТИ ЦАГИ, 1984, № 639.

Рукопись поступила 6/VII 1989 г.