English

 Вы смотрите архивную версию сайта ФГУП "ЦАГИ", перейти на действующий сайт

30.06.2010

16.09.2010
Волны неустойчивости и исследование возможности управления ими в турбулентных струях
Влияние плазменных актуаторов на шум струи

Авторы: Фараносов Г.А., Копьев В.Ф. (Московский комплекс ЦАГИ)

Как известно, на протяжении многих лет шум турбулентной струи остается одним из определяющих источников шума реактивных самолетов. Поэтому к настоящему моменту ощущается необходимость, наряду с развитием традиционных подходов в проблеме снижения шума авиационных двигателей, выдвигать и использовать новые идеи, в том числе и идеи, основанные на попытках активного управления шумом турбулентных струй.

Рис. 1

Главная проблема реализации идеи активного управления упирается в отсутствие концептуальной проработки самой стратегии снижения, что в свою очередь отражает недостаточное понимание основных механизмов образования шума, поскольку для устранения причины шума, т. е. активного воздействия на излучающую часть турбулентности, требуется во всяком случае понимание основных механизмов возникновения этой причины, т. е. понимания структуры и свойств излучающей турбулентности. Здесь ситуация оказывается принципиально различной для низкоскоростных и высокоскоростных струй.Для высокоскоростных струй механизм шумообразования во многом понятен и связан с волнами неустойчивости (неустойчивость Кельвина-Гельмгольца), развивающимися от сопла вниз по потоку (рис. 1) [1−2]. Их начальная амплитуда связана с процессами возбуждения сдвигового слоя внутренними возмущениями в струе и механизмом их дифракции на кромке (рис. 2). Поэтому задачу управления шумом высокоскоростных струй можно сформулировать как задачу генерации «антиволн», находящихся в противофазе с наиболее опасными (с точки зрения акустики) волнами неустойчивости, естественно возникающими и развивающимися от кромки вниз по потоку.

Рис. 2

Другая проблема активного управления состоит в разработке подходящей элементной базы для создания антиволны (плазменные актюаторы, пьезодатчики и т. д.) и в развитии методов экспериментального выделения в ближнем поле той малой части турбулентности, которая соответствует волне неустойчивости (измерение с помощью антенн, решеток микрофонов и т. д. в реальном времени). При этом было бы желательно выделять волну неустойчивости и создавать антиволну с помощью датчиков, располагаемых в области вне основного потока, располагая их вблизи поверхности сопла на внешней его стороне. Это гарантировало бы невмешательство в естественные процессы в струе и означало лишь их тонкую настройку с помощью внешних возбудителей.Для принципиальной реализуемости такого подхода необходимо ответить на следующие вопросы: можно ли подобрать внешнее возмущение так, чтобы погасить волну неустойчивости, и если можно, то какими должны быть характеристики управляющего поля и как их определить по данным измерений вблизи кромки [3]?

Рис. 3

Настоящая работа посвящена теоретическому рассмотрению вопроса о принципиальной возможности разработки системы снижения шума путем управления волной неустойчивости из внешней по отношению к струе области и идентификации волны неустойчивости по измерениям вблизи кромки сопла. Рассматриваются двумерная и осесимметричная (рис. 3) модели струи. Слой смешения моделируется тангенциальным разрывом. Задача дифракции акустических возмущений на кромке сопла решается методом Винера-Хопфа [4−5]. В работе получены следующие результаты:

  • В плоской и осесимметричной постановках показана принципиальная возможность эффективного гашения гармонической по времени волны неустойчивости с помощью акустической волны, падающей на кромку из неподвижной среды.
  • На примере двумерной задачи показано, что волна неустойчивости наиболее эффективно генерируется акустическими возмущениями, распространяющимися вниз по потоку.
  • Показано, что интенсивность управляющего воздействия может быть порядка величины возмущений в потоке, вызывающих развитие исходной волны неустойчивости, т. е. весьма мала вблизи кромки сопла.
  • Получены асимптотические выражения для возмущений давления, потенциала и скорости в неподвижной среде вблизи кромки.
  • Показано, что по известным значениям давления в ближнем поле можно определить параметры волны неустойчивости, необходимые для ее гашения.
  • Сформулирован эталонный эксперимент и разработана теоретическая база для его проведения с целью демонстрации управления искусственно созданной волной неустойчивости.

Список литературы:

1. Tam C. K. W. Jet noise generated by large-scale coherent motion// Aeroacoustics of flight vehicles. Theory and practice. ed. H. Hubbard, 1991 v. 1. p. 311−390. ASA/AIP.

2. Kopiev v. F, Chernyshev S.A., Zaitsev M.Yu., Kuznetsov v. M. Experimental validation of instability wave theory for round supersonic jet // AIAA Paper. 2006−2595.

3. В. Ф. Копьев, Г. А. Фараносов. Управление волной неустойчивости в двумерной задаче о кромке сопла // Акустический журнал, 2008, т.54, № 3, c.371−379.

4. Нобл Б. Применение метода Винера-Хопфа для решения дифференциальных уравнений в частных производных. М.: ИЛ, 1952. c. 280.

5. Gabard G., Astley R. J. Theoretical model for sound radiation from annular jet pipes: far- and near-field solutions// J. Fluid Mech. 2006. v. 549. № 2. p. 315−341.

Авторы: В.Ф. Копьев, Н.Н. Остриков, В.А. Копьев, И.В. Беляев (Московский комплекс ЦАГИ)

Интенсивное развитие авиационной техники, создание пассажирского транспорта нового поколения привели к резкому увеличению интенсивных источников шума, воздействующих на человека. Со времени появления в 50-х гг. реактивных пассажирских самолетов основным источником шума является выхлопная струя двигателя. Применение двухконтурных турбореактивных двигателей позволило улучшить акустические характеристики самолетов, однако активная наступательная позиция международных организаций, вводящих все более жесткие требования для существующих и разрабатываемых самолетов, требует интенсификации работ на этом направлении. Несмотря на то, что для дальнейшего снижения требуется подход, учитывающий разные источники (шум вентилятора, шум планера и т. д.), шум струи остается, по-видимому, главным камнем преткновения при решении этой сложной задачи. Кроме того, шум струи остается определяющим источником шума, препятствующим созданию сверхзвукового транспорта. 

Поэтому к настоящему моменту ощущается необходимость, наряду с развитием традиционных подходов в проблеме снижения шума авиационных двигателей, выдвигать и использовать новые идеи, в том числе и идеи, основанные на попытках активного управления шумом турбулентных струй. Одним из таких направлений является использование газоразрядной плазмы для управления свойствами течения.

Задачи активного управления шумом турбулентных потоков находятся в начальной стадии развития и требуют:

а) понимания механизмов шумообразования, на которые должна быть направлена система управления и

б) усовершенствования системы возбуждения потоков (актуаторов), алгоритмов управления и измерительных приборов для реализации этого потенциала.

В докладе рассматриваются механизмы шумообразования, связанные крупномасштабной турбулентностью, имеющей вид отдельных вихревых структур или волн неустойчивости. Обсуждается возможность создания различных стратегий активного управления, основанных на этих механизмах.

Обсуждаются свойства различных плазменных актуаторов, основанных на использовании коронного или DBD разряда. Основными достоинствами плазменных актуаторов являются: быстрый отклик, отсутствие механических частей, возможность размещения на различных поверхностях, в том числе на внутренней поверхности сопла двигателя, создание произвольных пространственных конфигураций, широкий диапазон частот воздействия вплоть до десятков килогерц, возможность возбуждения различных азимутальных мод. Рассматривается влияние плазменных актуаторов на шум струи.

Новости ЦАГИ