Ближнее акустическое поле импульсной струи (стр. 1 из 2)

.

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.