Аэродинамические источники шума

и давления в окружающей среде р,0- Основным источником шума таких струй является зона турбулентного перемешивания выхлоп­ ного потока с окружающей средой. При нерасчетных режимах ис­

перепад давлений на сопле, появляются дополнительные источники шума, интенсивность излучения которых в ряде случаев может пре­ вышать интенсивность излучения от зоны турбулентного переме­ шивания.

Струя, истекающая из сужающегося сопла при перепаде давле­

ний выше критического. При перепадах давлений выше критичес­ кого (яс> я Нр) в спектрах шума струй, истекающих из сужающих­ ся сопел, появляются дискретные составляющие, частота которых уменьшается по мере увеличения я с. Уровень дискретных состав­ ляющих шума может превышать уровни составляющих сплошного шума на величину более 10 дБ. Появление дискретных составляю­ щих шума обусловлено характером течения в зоне смешения струи с окружающей средой. Так, в области сверхкритических режимов истечения давление на срезе сопла превышает давление в окру­ жающей среде, и поэтому вследствие продолжающегося расшире­ ния потока скорость в зоне смешения становится сверхзвуковой. В такой струе, так же как и в сверхзвуковой струе, истекающей из сопла Лаваля на нерасчетном режиме, образуются скачки уплот­ нения, которые могут осциллировать и являться источниками волн, распространяющихся в окружающей среде. Интенсивность и кон­ фигурация скачков уплотнения зависит от режимов истечения струи.

Процесс образования дискретной составляющей шума заключа­ ется в следующем. Любая неоднородность, перемещающаяся вниз по потоку от среза сопла, при прохождении через скачок уплотне­ ния вызывает его осцилляцию. Возникающие при этом взаимодей­ ствии возмущения распространяются в окружающую среду и в ви­ де звуковых волн достигают среза сопла. Таким образом, имеется обратная связь, реализующаяся посредством передачи звуковых колебаний по внешней окружающей среде в направлении, противо­ положном направлению истечения струи. Существование обратной связи приводит к усилению интенсивности возмущений и образова­ нию резонансного колебательного процесса, обусловливающего появление дискретного шума. Частота колебательного процесса определяется скоростью распространения звука и расстоянием от среза сопла до скачка уплотнения, т. е. длиной «бочки». Интенсив­ ность образования звука на этой частоте определяется в основном интенсивностью скачка уплотнения.

Итак, в области сверхкритических перепадов давлений процесс излучения дискретной составляющей шума при истечении струи из сужающегося сопла связан с осцилляцией. Поскольку частота дис­ кретной составляющей шума определяется скоростью распростра-

нения звука и длиной «боч-к.и», то, чем больше диаметр среза соп­ ла и перепад давлений, т. е. больше длина «бочки», тем меньше величина частоты дискретного тона. В результате обработки дан­ ных экспериментальных исследований получена следующая зави­ симость для частоты дискретного шума:

где п = 2.

Характеристика направленности .излучения дискретного тона имеет вид кривой с максимумом в направлении, перпендикулярном оси струи. В направлении, составляющем острый угол с осью струи, преобладает сплошной шум от зоны турбулентного перемешивания, спектр которого определяется в соответствии с изложенным ранее методом расчета. С увеличением перепада давлений интенсивность излучения дискретной составляющей шума возрастает.

При наличии спутного потока частота дискретного шума изме­ няется в соответствии с изменением скорости распространения воз­ мущений в среде, окружающей струю. Так, с увеличением скоро­ сти спутного потока, частота дискретного тона падает вследствие уменьшения скорости распространения сигнала от скачка уплотне­ ния до среза сопла и, следовательно, увеличения суммарного вре­ мени его прохождения.

В неподвижной среде время прохождения звукового сигнала.на

странения сигнала от среза сопла до скачка уплотнения равно х\=

ка. Суммарное время прохождения сигнала в случае наличия спут­ ного потока составляет т = 2Х(с—U0/2)/c(c—U0).

Следовательно, отношение характерной частоты излучения струи в спутном потоке /сп- к характерной частоте затопленной струи f равно /сП//= (1—М )/(1—0,5М). Видно, что с увеличением М величина этого отношения уменьшается. На такую же зависи­ мость указывают и результаты экспериментальных исследований.

Сверхзвуковая струя, истекающая из сопла Лаваля на нерас­ четном режиме Лс^Лс.р(Рс^Ро)• При расчетном режиме истече­ ния в структуре сверхзвуковой струи присутствуют весьма слабые волны сжатия и разрежения. Шум такой струи обусловлен в ос­ новном зоной турбулентного перемешивания с окружающей средой. Па нерасчетном режиме истечения струи, как в случае перерасширения рс<Ро, так и недорасширения рс>Ро, происходит образова­ ние скачков уплотнения и появление дискретной составляющей шума. Механизм образования дискретного тона аналогичен уже рассмотренному для струи, истекающей из сужающегося сопла

При Яс^Якр-

Интенсивность дискретного шума сверхзвуковой струи зависит оттого, насколько перепад давлений отличается от расчетного.Так,

на реж.име перерасширения при некотором давлении на срезе соп­ ла меньше атмосферного наступает отрыв потока от стенок сопла. Этот режим истечения соответствует максимальной величине интен­ сивности дискретного шума. При увеличении степени нерасчетности происходит перемещение скачка уплотнения внутрь сопла и уменьшение доли дискретной составляющей шума в общем шуме струи.

Частота дискретного тона зависит в основном от' перепада дав­ лений и диаметра среза сопла. Для определенного сопла зависи­ мость этой частоты от перепада давлений имеет один .и тот же вид как для режима недорасширения, так и режима перерасширения; т. е. вид зависимости сохраняется при переходе через расчетный режим истечения. Однако получить обобщенное аналитическое представление для частоты дискретного тона не удается. Из ряда известных в настоящее время эмпирических выражений отметим одно, которое получено на основе анализа экспериментальных дан­ ных в наиболее широком диапазоне исследованных параметров [4],

сверхзвуковых струях при отсутствии интенсивных скачков уплот­ нения [44]. Дискретный шум в этом случае образуется вследствие регулярных колебаний самой струи, возникающих под действием периодических волн на поверхности струи. Энергия для раскачки струи поступает из внешнего акустического поля, а сама струя вследствие квазипериодической структуры в осевом направлении служит своеобразным фильтром, отбирающим из внешнего акусти­ ческого поля колебательную энергию. Возникающие в струе перио­ дические акустические возмущения распространяются в окружаю­ щую среду из области распада сверхзвуковой структуры струи.

2.5.7. Влияние спутного потока на шум струи

Задача определения шума турбулентной струи, распространяю­ щейся в спутном потоке, связана, в основном, с необходимостью расчета шума выхлопной струи турбореактивного двигателя дви­ жущегося самолета. Решить эту задачу аналитически в настоящее время не удалось, поскольку еще не достаточно полно исследована структура турбулентного потока в зоне смещения струи со спут­ ным потоком.

При экспериментальных исследованиях шума струи в спутном потоке возникают сложности методического характера. Так, ими­ тация спутного потока обычно осуществляется с помощью кольце­ вой струи, истекающей из сопла, внешний диаметр которого суще­ ственно превышает диаметр сопла исходной струи. Поэтому, на­

чиная с некоторых значений параметра спутности m=U0IUCj шум от зоны смешения внешнего потока с окружающей средой может быть сравним с шумом от зоны смешения исходной струи со спут­ ным .потоком внешнего контура. Кроме того, имеющая место в зо­ не смешения внешнего потока с окружающей средой рефракция звуковых лучей вызывает искажение пространственного распреде­ ления шума.

Аэродинамические характеристики струи в спутном потоке из­ меняются по сравнению с соответствующими характеристиками круглой затопленной струи следующим образом: происходит умень­ шение градиента средней скорости, увеличение длины начального участка, сужение ширины зоны смешения, уменьшение масштабов турбулентности и т. д. В предположении, что структура потока в зоне смешения определяется только разностью скорости истечения струи и скорости спутного потока, а начальная турбулентность по­ токов мала, изменение этих характеристик происходит в соответст­ вии со следующими выражениями [1, 9]:

где хпс — длина начального участка струи в спутном потоке; Ьсп и Ь:ШТ — ширина пограничного слоя струи в спутном потоке и затоп­ ленной струи соответственно.

Если приведенные соотношения использовать при оценке акус­ тической мощности элементарного объема турбулентного потока (2.86) и принять во внимание по аналогии с затопленной струей, что шум в основном излучается в пределах начального участка, то акустическая мощность струи в спутном потоке приблизительно представляется [35]

что приводит к изменению аэродинамической структуры зоны сме­ шения и, следовательно, изменению интенсивности акустического излучения струи в спутном потоке.

Измерения характеристик осредненного течения струи, истекаю­ щей в спутный поток с повышенной интенсивностью начальной тур­ булентности ~4 6%, показали, что профили средних скоростей подобны универсальному профилю (2.111). Однако ширина зоны смешения с увеличением скорости спутного потока уменьшается

.,ПередернутьиГпро-

филь скоростей

h.

—-- И

Рис. 2.49. Схема истечения соосных струй

зоне смешения струй с окружающей средой. Наряду с выхлопным потоком опре­ деленный вклад в суммарный шум таких двигателей вносит также вентиляторкомпрессор. Однако успешное использование методов снижения шума вентиля­ тора и применение звукопоглощающих облицовок в каналах силовой установки1 приводят к снижению относительной роли шума вентилятора в общем шумедвигателя и вызывают необходимость точной оценки характеристик шума вы­ хлопных струй.

Особую актуальность проблема снижения шума выхлопа принимает для* сверхзвуковых пассажирских самолетов (СПС) в связи с большой тяговооруженностью их силовых установок. В качестве одного из вариантов снижения шума выхлопа двигателей СПС все большее внимание специалистов в области авиационной акустики привлекает идея разработки двухконтурного турбореак­ тивного двигателя с переменным циклом работы. Режим работы такого двигате­ ля предусматривает преобразование (перевертывание) профилей скоростей и температур потоков внутреннего и внешнего контуров, т. е. наряду с обычным режимом работы, характерным для существующих ТРДД, предусматривается ре­ жим работы, при котором скорость и температура потока внешнего контура1 превышают скорость и температуру потока внутреннего контура («переверну­ тый»' профиль скоростей и температур).

Соосные струи по своей структуре представляют своеобразное сочетание за­ топленной струи и струи, истекающей в спутный поток J]18Q (рис. 2.49). Вблизи среза сопла поток* внешнего контура перемешивается с окружающей средой, и одновременно происходит взаимное перемешивание потоков внутреннего и внеш­ него контуров. Тем самым выравнивание начального профиля средних скоростей осуществляется вследствие двух различных процессов смешения. После смыка­ ния пограничных слоев, соответствующих этим двум процессам, начиная с не­ которого расстояния от среза сопла, выхлопной поток уже можно считать еди­ ной затопленной струей.

Структура выхлопного потока зависит от соотношения диаметров сопел внешнего и внутреннего контуров и от соотношения скоростей потоков. Так, на­ пример, с увеличением диаметра сопла внешнего контура D 2 возрастает протя­ женность ядер постоянной скорости потоков внутреннего U\ и внешнего U 2 кон­ туров. Длина этих ядер не может быть больше пяти диаметров внешнего сопла, т. е. длины начального участка затопленной струи. При больших величинах со­

ядра постоянной скорости внутренней струи. Однако этот случай истечения со­ осных струй нехарактерен для реальных условий и поэтому далее не рассмат­ ривается.

В случае истечения соосных струй из двухконтурного сопла с небольшой

величиной соотношения диаметров D<1,5 ядро постоянной скорости внутренне­ го потока сохраняется на значительно большем расстоянии по сравнению с яд­ ром постоянной скорости внешнего потока. При удалении от плоскости среза сопла интенсивность затухания поля средних скоростей в зоне смешения соос­ ных струй тем больше, чем больше разность скоростей потоков внутреннего и внешнего контуров. При одинаковой величине соотношения скоростей потоков

осевая скорость и максимальная средняя скорость в поперечном сечении. В слу­ чае соосных струй с обычным профилем скоростей величины осевой и макси­ мальной скоростей в сечении, естественно, совпадают, а падение осевой скорости начинается сразу после исчезновения ядра постоянной скорости внутренней струи (рис. 2.51).

В случае соосных струй с «перевернутым» профилем скоростей с увеличением осевого расстояния величина максимальной скорости в сечении начинает умень­ шаться, а осевая скорость возрастать на значительно меньшем расстоянии от плоскости среза сопла.. При этом, наряду с увеличением осевой скорости, про­ исходит одновременное смещение максимума, средней скорости в сторону оси. Начиная с некоторого расстояния, зависящего от соотношения диаметров и ско­ ростей потоков внутреннего и внешнего контуров, максимум средней скорости находится на оси; величина его вследствие более .интенсивного процесса смеше­ ния меньше, чем в случае соосных струй с обычным профилем скоростей. Кроме того, размывание высокоскоростного потока внешнего контура сопровождается несколько более интенсивным увеличением ширины зоны смешения (см. рис. 2.50).

Вблизи среза сопла вследствие существования двух областей смешения (об ласть смешения потоков внутреннего и внешнего контуров и область смешения потока внешнего контура с окружающей средой) с каждой стороны от оси в профилях пульсациониых скоростей имеются два максимума (рис. 2.52), которые постепенно сливаются по мере увеличения осевого расстояния. Поскольку гра­ диент средней скорости при смешении высокоскоростного потока внешнего кон­ тура с неподвижной средой больше, чем при смешении потоков внутреннего и внешнего контуров, то вблизи среза сопла максимальная интенсивность турбу­ лентности большую величину составляет в соосных струях с «перевернутым» профилем скоростей.

Если сравнивать кольцевую и круглую струи при равенстве скоростей исте­ чения U C= U 2 и площадей среза сопел D 2 = D 22—D t2, то видно что акустическая мощность кольцевой струи меньше акустической мощности соответственной круглой струи. При сравнении кольцевой струи с круглой струей, истекающей со скоростью U C= U 2 из сопла диаметром D = D 2y разность уровней акустической мощности составляет

Де' — ек>с — е2;

Результаты экспериментальных исследований шума кольцевых струй соот­ ветствуют результатам расчета (рис. 2.55). С уменьшением ширины кольцевого

сопла, т. е. с уменьшением соотношения диаметров D, разность уровней акусти­ ческой мощности кольцевой струи и круглой струи внешнего контура возрастает.

2.6.2. Соосные струи с обычным профилем скоростей

(U2/Ui <l )

Аэродинамические исследования показали, что в пределах существования -ядер постоянных скоростей (в начальном участке) истечение соосных струй мож­ но представить как истечение внутренней струи в спутный поток внешнего кон­ тура и истечение внешней струи в окружающую среду (см. рис. 2.49). Поэтому протяженность областей / и // может быть определена из закона нарастания толщины пограничного слоя при истечении струи в спутный поток и закона су­ жения ядра постоянных скоростей при истечении затопленной струи

_____Р2— Р\