Акустические характеристики струй

Затопленная струя

Важнейшими акустическими характеристиками реактивной струи являются мощность, направленность и спектр акустического излучения. Мощность акустического излучения струи пропорциональна скорости истечения в восьмой степени (5.11) и квадрату характерного геометрического размера (диаметра среза сопла) и обычно записывается в следующем виде :

, (5.18)

где: F_с – площадь поперечного сечения сопла в плоскости среза, к – коэффициент пропорциональности, величина которого получена экспериментально и при равна:

к = 0.8 10 ^-4 – для газовых струй, истекающих из дозвукового сопла,

к = 1.5 10 ^-4 – для реактивных струй ТРД при работе на взлетном и номинальном режимах,

к = 2.5 10 ^-4 – для реактивных струй ТРД при работе двигателя на режимах ниже номинального.

Значения акустической мощности реактивной струи турбореактивных двигателей представлены на рисунке 5.13 в зависимости от величины параметра Лайтхилла . При акустических испытаниях у некоторых двигателей стоял глушитель на входе в воздухозаборник, поэтому отмечается некоторый разброс экспериментальных данных. Максимальная акустическая мощность реактивной струи испытанных ТРД с тягой до 10000 кг равна примерно 100 кВт.

Рисунок 5.13

Значения плотности потока и скорости течения дозвуковой струи в плоскости среза конического сопла рассчитываются по газодинамическим функциям:

,

,

,

где , , = с₀ - критическая скорость звука, = - отношение теплоемкостей газа при постоянном давлении и при постоянном объеме ( =1.4 –для изотермических струй, =1.33 – для струй ТРД), R_Г – газовая постоянная (R_Г = 29.27 кГм/кГ· град – для воздуха, =29.4 кГм/кГ· град при ).

Характеристика направленности акустического излучения реактивной струи (10 lg Ф) определяется как совокупность разностей между уровнями звукового давления, измеренными в точках поля реального источника, и уровнями в тех же точках поля фиктивного источника излучения равной мощности, излучающего звук в сферу равномерно во всех направлениях.

, ,

, (5.19)

где W- мощность акустического излучения, I – интенсивность излучения, F – площадь поверхности, в которую происходит излучение, Ф – фактор направленности акустического излучения.

На рисунке 5.14 приведены экспериментальные характеристики направленности акустического излучения неизотермических реактивных струй для трех значений температуры торможения в струе, соответственно, 600⁰К, 800⁰К и 1000⁰К. Здесь угол излучения “θ” отсчитывается от оси струи.

Рисунок 5.14

Максимум характеристики направленности располагается в близи оси реактивной струи, при этом с уменьшением температуры потока максимум характеристики смещается в сторону оси струи и соответствует значению θ = 30⁰ при температуре потока Т = 600⁰К.

Спектр акустического излучения реактивной струи при докритическом перепаде давления в сопле является непрерывным по частоте со слабо выраженным максимумом. При возрастании перепада давления на срезе сопла и при повышении температуры потока в спектре возрастает доля высокочастотных составляющих, а при увеличении диаметра сопла – возрастает доля низкочастотных составляющих.

На рисунке 5.15 приведен обобщенный третьоктавный спектр мощности акустического излучения модельных струй и реактивных струй ТРД в виде зависимости от числа Струхаля . Уровни спектральных составляющих акустической мощности L_Wi и уровень суммарной акустической мощности L_W связаны соотношением:

(5.20)

Рисунок 5.15

Максимум мощности акустического излучения реактивной струи имеет место на частотах, соответствующих значениям числа Струхаля 0.2 - 0.4. При этом максимальные уровни спектральных составляющих ниже уровня суммарной мощности излучения реактивной струи на 10 дБ.

Обобщенные третьоктавные спектры звукового давления реактивной струи приведены на рисунке 5.16.

Рисунок 5.16

По оси ординат здесь отложен параметр , где L_с – суммарный по спектру уровень звукового давления, L_i - уровень звукового давления в i– й третьоктавной полосе частот.

Экспериментально установлено, что частота максимума спектра звукового давления в общем случае зависит от направления распространения акустического излучения. Вместе с тем все экспериментальные данные могут быть обобщены для двух диапазонов изменения угла излучения θ: 20⁰ < θ < 60⁰ (кривая 1 на рисунке 5.16) и 70⁰ < θ < 180⁰ (кривая 2).

В первом диапазоне направлений излучения звука спектральный максимум уровней звукового давления соответствует числам Струхаля 0.2-0.3, а во втором диапазоне направлений излучения – соответствует числам Струхаля 0.9-1.0.

Струя в спутном потоке и соосные струи

Одним из основных обобщенных параметров двухконтурного двигателя является степень двухконтурности, представляющая собой отношение расходов газа через внутренний и внешний кон­туры двигателя.

Для неизогермических соосных струй двигателя этот параметр можно записать в следующем виде:

, (5.21)

для изотермических струй:

,

здесь 1 и 2-—индексы параметров внутренней и внешней струй со­ответственно (см. рисунок 5.9), т_F — отношение площадей проходных сечений сопел внешнего и внутреннего потоков, Т-температура потока, — газодинамическая функция скорости, - газодинами­ческая функция температуры потока, т_V =U₂ / U₁ - параметр спутности в изотермических струях..

Рисунок 5.17

Влияние параметров т_F и т_V на избыточный уровень акусти­ческой мощности изотермических соосных струй рассмотрено на рисунке 5.17, где приведены результаты измерений мощности акусти­ческого излучения изотермических соосных струй. Здесь - разность между суммарными уровнями акустической мощности соосных струй и внутренней струи при отсутствии без внешней струи.

С увеличе­нием скорости истечения периферийного потока уровень акусти­ческой мощности соосных струй сначала уменьшается, а затем начинает вновь возрастать. Величина параметра спутности, при которой акустическая мощность соосных струй минимальная, зави­сит от относительных размеров периферийного потока и состав­ляет т_V = 0,4 - 0,7.

Увеличение относительных поперечных размеров периферийного потока при малых значениях параметра спутности (т_V < 0,3) приводит к снижению уровня акустической мощности соосных струй (рисунок 5.18).

Рисунок 5.18

Однако, начиная с некоторого значения параметра т_F (т_F > 20), дальнейшее увеличение поперечных раз­меров периферийного потока практически не вызывает изменения суммарной акустической мощности двух струй.

Это свидетельст­вует о том, что с акустической точки зрения внутреннюю струю можно рассматривать как струю, распространяющуюся в спутном потоке неограниченных поперечных размеров, если т_F > 20. В этом случае при т_V ≤ 0,3 уровень акустической мощности соосных струй минимален и не зависит от поперечных размеров внешнего потока.

Исследование микроструктуры осесимметричной струи в спутном потоке показало (рисунок 5.8), что, помимо неравномерности профиля ско­рости в начальном сечении струи, на интенсивность перемешива­ния струи с внешним потоком значительное влияние оказывает начальная турбулентность спутного потока. Увеличение интенсивности тур­булентности (ε_δ) приводит к заметному ослаблению влияния эффекта спутности как на параметры осредненного и пульсационного тече­ния, так и на акустические характеристики струи (рисунок 5.19).

Здесь по оси ординат отложено относительное уменьшение уровня звуковой мощности струи, распространяющейся в спутном потоке с различной начальной турбулентностью, при разных значениях параметра спутности (m_v).

Рисунок 5.19

Для сравнения пунктиром показана зависимость (U – V)⁸, которая использовалась в ранних исследованиях для описания влияния спутного потока на мощность акустического излучения струи.

Увеличение интенсивности начальной тур­булентности спутного потока (ε_δ) приводит к возрастанию шума реактивной струи. Так при m_v =0.4 увеличение турбулентности спутного потока от 2% до 12% приводит к увеличению уровня мощности акустического излучения струи на 5 дБ (рисунок 5.19).

Характеристика направленности акустического излучения изотермической струи в спутном потоке практически совпадает с соответствующей характеристикой затопленной струи (рисунок 5.20).

Рисунок 5.20

Влияние спутного потока на спектр шума струи рассмотрено на рисунке 5.21.

Рисунок 5.21