Ближнее акустическое поле импульсной струи

.

к.т.н. Третьяков Д.В.

Распространенным источником промышленного шума являются струи газа, истекающие с высокой скоростью из различных агрегатов. Изучению акустического поля струи газа посвящено значительное число исследований, в большинстве которых принимается допущение о стационарном характере истечения. Однако во многих промышленных и транспортных установках источником промышленного шума являются струи газа с ярко выраженным импульсным характером истечения. В этом случае, по сравнению со стационарным режимом истечения струи, качественно изменяется процесс формирования и эволюции акустического поля. В настоящей статье приведены результаты экспериментальных исследований процесса формирования акустического поля сверхзвуковой импульсной струи газа вблизи ее источника истечения, где поле струи не может быть смоделировано полем точечных источников звука.

В качестве источника импульсной струи в настоящей работе использовалась электроразрядная ударная труба с соплом на торце. В электроразрядной камере ударной трубы проводился разряд конденсаторной батареи и происходил быстрый нагрев газа. Вследствие большого градиента давления между электроразрядной камерой и остальной частью трубы формировалась ударная волна. Когда ее фронт падал на сопло в торце ударной трубы, начиналось импульсное истечение газа в окружающее пространство. При этом в сопло проходила ударная волна /1/, которая двигалась перед контактным разрывом по соплу /2/ и выходила в окружающее пространство.

Исследование акустического поля импульсной струи проводилось с помощью датчиков давления и оптическими методами. Датчики давления имели пьезокерамический чувствительный элемент. Для каждой точки пространства проводились 10-15 опытов с замером параметров акустического поля датчиками давления.

Для визуализации процессов формирования и эволюции акустического поля проводилась съемка процесса в проходящем луче лазера и съемка голографической интерференционной картины. Разрыв полос на интерференционной картине свидетельствует о скачкообразном изменении параметров среды, т.е. о наличии ударной волны.

Перед головной частью импульсной струи, истекающей в затопленное пространство (рис.1), образуется ударная волна /3/. На некотором удалении от оси струи ударная волна вырождается в акустическую. Если предположить, что отсутствуют химические реакции внутри импульсной струи и между газом импульсной струи и газом окружающего пространства, то для практических целей достаточно учитывать избыточное давление, возникающее только при прохождении указанных ударной и акустической волн. Процессами же, обуславливающими возникновение акустических возмущений, свойственных стационарному режиму истечения, в этом случае можно пренебречь. Специфической особенностью ближнего акустического поля импульсной струи газа можно считать то, что его с большой точностью, можно считать образованным при преодолении головной части формирующийся струи аэродинамического сопротивления окружающего пространства. На рис. 2 приведена фотография исследуемого процесса в проходящем луче лазера.

Рис. 1

Рис. 2

В системе отсчета, связанной с головной частью импульсной струи, газ затопленного пространства будет набегать на ударную волну со скоростью равной скорости головной части импульсной струи. Критическая точка перехода ударной волны в акустическую будет соответствовать точке, в которой нормальная составляющая скорости набегающего потока к фронту волны окажется равной скорости звука. В большинстве практических случаев акустическое поле импульсной струи газа вблизи ее источника имеет осевую симметрию. При этом для описания процесса целесообразно ввести полярную систему координат, (рис. 1). Полярная ось совпадает с осью симметрии струи и направлена в сторону ее движения, а за полюс принята точка пересечения оси с плоскостью выходного среза сопла. Тогда критическое значение полярного угла, являющиеся функцией текущего времени может быть определено из решения уравнения, представляющего собой условие равенства скорости звука нормальной составляющей скорости набегающего потока:

где, и - соответственно, показатель адиабаты, газовая постоянная и температура газа затопленного пространства. Угол в приведенном выше уравнении выражается в радианах. Выражение, определяющее форму фронта возмущения, вызванного в окружающем пространстве головной частью импульсной струи, может быть получено расчетноvтеоретическими методами или эмпирически. В частности, форма фронта возмущения может быть определена оптическими методами.

Рис. 3

Вблизи критической точки на фронте возмущения, определенной из условия равенства скорости звука нормальной составляющей, происходит качественное изменение наблюдаемой интерференционной картины. Для значений полярного угла, превышающих, при пересечении интерференционной полосой фронта возмущения происходит ее искривление (рис. 3). Для полярных углов меньших при пересечении интерференционной полосой фронта возмущения происходит ее разрыв, что свидетельствует о скачкообразном изменении параметров среды. С течением времени сверхзвуковая головная часть импульсной струи удаляется от выходного среза сопла ударной трубы и фронт возмущения в окружающей среде вытягивается вдоль струи. При этом критическое значение полярного угла, определенное из условия равенства скорости звука нормальной составляющей, уменьшается, что хорошо согласуется с результатами обработки интерферограмм, полученных для различных стадий процесса.

При анализе исследуемого процесса за характерный геометрический размер был принят диаметр критического сечения сопла ударной трубы. За характерное время v время прохождения звуком расстояния при нормальных условиях.

Сигналы с датчиков давления, установленных на малых и больших полярных углах являются характерными, соответственно, для ударной и акустической волн. На рис. 4 приведен вид типичной зависимости относительного избыточного давления от времени в точке с полярным радиусом 12,5 и полярным углом 30¦ (кривая 1) и в точке с тем же полярным радиусом, но с полярным углом 120¦ (кривая 2). Под относительным избыточным давлением понимается величина:, где v изменение давления при акустическом или ударном возмущении, - начальное давление в невозмущенной среде.

Рис. 4

Для обеих зависимостей за начало отсчета принят момент прихода возмущения от головной части импульсной струи в рассматриваемую точку. Наличие нескольких максимумов в фазе сжатия на кривой 1 не является случайным, а имеет стабильную повторяемость во всех опытах с установкой датчика в этой точке. Существование этих максимумов объясняется присутствием дополнительных волн сжатия, следующих в непосредственной близости за фронтом основной ударной волны. Фронты этих волн можно отчетливо наблюдать в проходящем луче лазера рис. 2 (полосы поперек отрезка А-А)

Рис. 5

Наибольшее избыточное давление в фазе сжатия при полярных углах меньших критического значения незначительно уменьшается при увеличении угла, а при превышении критического значения его спад становится более резким. На рис 5 приведены экспериментальные зависимости наибольшего относительного избыточного давления от полярного угла для точек на полярных радиусах 12,5, 18,75, и 25. Перегиб кривых находится в интервале полярных углов 60 - 75¦ , что не противоречит условию равенства скорости звука и скорости нормальной составляющей набегающего потока. Наименьшее значение избыточного давления в фазе разряжения, следующей за фазой сжатия, монотонно увеличивается с увеличением полярного угла (рис. 5). Перегибов на этих зависимостях не наблюдается.

Как следует из анализа результатов экспериментов, диаграмма направленности импульсной струи газа, как источника промышленного шума, существенно отличается от круговой. Площадь фронта акустической волны, на рассматриваемых радиусах, примерно в 1,4 раза больше фронта ударной волны. Однако, энергия, переносимая в окружающее пространство акустической волной, примерно в 6,3 раза меньше энергии переносимой ударной волной. При интегрировании по поверхности акустической и ударной волны плотность потока энергии рассчитывалась по показаниям датчиков давления.

Первый максимум в спектре сигнала датчика давления приходится на диапазон частот (2,38 - 2,89). При этом с увеличением полярного угла установки датчика с 30¦ до 150¦ среднее в группе опытов значение частоты, на которую приходится первый максимум, изменяется с 2,38. до 2,89. На всех полярных углах на частотах превышающих (11,90 - 12,75) в спектре возникает ряд максимумов, значения которых значительно ниже первого максимума. На полярных углах, близких к критическому, наблюдается появление максимума в диапазоне частот от 5,95 до 8,50. Этот максимум по величине соизмерим с первым максимумом на частотах (2,38 - 2,89). Начиная с некоторого полярного угла максимум на частотах (5,95-8,50) начинает превышать значение первого максимума.

В общем случае кроме возмущения в затопленном пространстве, связанного с преодолением головной частью сверхзвуковой импульсной струи аэродинамического сопротивления. Звук будет генерироваться и непосредственно струей газа, как в случае стационарного режима истечения струи. Генерирование звука импульсной струей можно визуализировать при просвечивании пространства вблизи струи лучом лазера (рис.6 v на рисунке отмечены *). Сравнивая яркость изображений и интерференционные картины можно заключить, что величина избыточного давления в звуковых волнах, генерируемых непосредственно газом струи, пренебрежимо мала по сравнению с избыточным давлением, возникающем при прохождении ударной и акустической волн от преодоления аэродинамического сопротивления головной частью.

Рис. 6

По результатам проведенной работы могут быть сделаны следующие выводы:

Промышленный шум от истечения в окружающее пространство сверхзвуковой импульсной струи определяется преодолением ее головной частью аэродинамического сопротивления.

Возникающая при движении головной части струи ударная волна на некотором полярном угле вырождается в акустическую.

Большая часть энергии, передаваемой от сверхзвуковой импульсной струи газа окружающей среде, переносится ударной волной.

Спектральные характеристики акустического поля существенно зависят от полярного угла.

Полученные выводы использовались при разработке мер по защите от промышленного шума, вызванного истечением из различных агрегатов импульсных струй в окружающее пространство.

Список литературы

Гвоздева Л.Г. Формирование квазистационарной струи внутри сопла в процессе его ударного запуска.// Изв. АН СССР. МЖГ. 1977. ¦1. с. 76-82.

Добрынин Б.М., Масленников В.Г., Сахаров В.А. Процесс установления плоского сверхзвукового струйного течения при различных физических свойствах истекающего и затопляющего газов.// ЖТФ.. 1987. т. 57, вып.1. с. 118-124.

Голуб В.В., Шульмейстер А.М. Стартовые ударные волны и вихревые структуры, возникающие при формировании струй. // Изв. АН СССР. МЖГ. 1988. ¦5. с. 146-150.