Rambler's Top100 Service
Поиск   
 
Обратите внимание!   Посетите Сервер по Физике Обратите внимание!
 
  Наука >> Физика >> Общая физика >> Колебания и волны >> Акустика | Научные статьи
 Написать комментарий  Добавить новое сообщение

Ближнее акустическое поле импульсной струи

к.т.н. Третьяков Д.В.
Опубликовано на сайте Laboratory.Ru, 05.04.2000 г.
Содержание

Ближнее акустическое поле импульсной струи

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 [Гвоздева Л.Г., 1977], которая двигалась перед контактным разрывом по соплу [Добрынин Б.М. и др., 1987] 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 [Голуб В.В., Шульмейстер А.М., 1988]. 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. Схема формирования возмущения в затопленном пространстве при движении головной части импульсной струи.

1 - электроразрядная ударная труба, 2 - головная часть импульсной струи, 3 - ударная волна, 4 - акутическая волна, 5 - критическая точка перехода ударной волны в акустическую.
Рис. 2. Фотография возмущения в затопленном пространстве при движении головной части импульсной струи.

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 u. Критическая точка перехода ударной волны в акустическую будет соответствовать точке, в которой нормальная составляющая скорости набегающего потока к фронту волны un 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 r, $\varphi$ (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 $\varphi_c$, являющиеся функцией текущего времени $\tau$ может быть определено из решения уравнения, представляющего собой условие равенства скорости звука нормальной составляющей скорости набегающего потока:

$u^2\left(\frac{\partial r(\varphi_c)}{\partial\varphi}\sin\varphi_c+r(\varphi_c)\cos\varphi_c\right)^2 =kRT_0\left(\left(\frac{\partial r(\varphi_c)}{\partial\varphi}\right)^2+r(\varphi_c)^2\right)$

где k, R и T0 - соответственно, показатель адиабаты, газовая постоянная и температура газа затопленного пространства. Угол $\varphi$ в приведенном выше уравнении выражается в радианах. Выражение $r=r(\varphi ,\tau)$, определяющее форму фронта возмущения, вызванного в окружающем пространстве головной частью импульсной струи, может быть получено расчетно-теоретическими методами или эмпирически. В частности, форма фронта возмущения может быть определена оптическими методами.

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 $\varphi_c$, при пересечении интерференционной полосой фронта возмущения происходит ее искривление (рис. 3). Для полярных углов меньших $\varphi_c$ 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 $\varphi_c$, определенное из условия равенства скорости звука нормальной составляющей, уменьшается, что хорошо согласуется с результатами обработки интерферограмм, полученных для различных стадий процесса.

Рис. 3. Картина пересечения интерференционными полосами фронта возмущения, возникающего при движении головной части импульсной струи.

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

Назад| Вперед


Написать комментарий
 Copyright © 2000-2015, РОО "Мир Науки и Культуры". ISSN 1684-9876 Rambler's Top100 Яндекс цитирования