2. Исследование пульсаций давления в турбулентном пограничном слое

В последние годы исследователи и разработчики сверхзвуковых и гиперзвуковых ЛА уделяют большое внимание проблеме аэродинамического шума.

Конструктору ЛА для эффективной защиты аппарата от аэродинамического шума необходимо знать зависимости уровня и спектра частот пульсации пристеночного давления от параметров внешнего потока и пограничного слоя. Для определения этих зависимостей проводятся теоретические исследования и эксперименты в аэродинамических трубах.

Характеристики пульсаций давления зависят от различных факторов : числа М, скоростного напора, угла атаки, температуры поверхности, геометрических характеристик, тепломассообмена на поверхности и т.д. Основными характеристиками пульсаций давления являются их уровни частот и частотный спектр. На основе теоретических и экспериментальных исследований установлен ряд эмпирических зависимостей среднеквадратических уравнений пульсаций давления в турбулентном пограничном слое от аэродинамических параметров. Например, зависимость отношения среднеквадратического уровня пульсаций давления к скоростному напору на внешней границе пограничного слоя от числа на границе слоя имеющего вид:

(4)

Спектральная плотность является важнейшей характеристикой пульсаций давления. Ниже в качестве примера приведено уравнение, аппроксимирующее экспериментальные данные по спектральной плотности:

(5)

Где p(f) – спектральная плотность энергии пульсаций давления;

- толщина вытеснения пограничного слоя;

-скорость набегающего потока;

f – частота пульсаций давления.

К измерительным системам, предназначенным для регистрации пульсаций давления в условиях летного эксперимента, предъявляется ряд требований. В первую очередь эти системы должны измерять пульсации в максимально широком диапазоне частот, охватывающем полосу частот пульсаций давления в пограничном слое, функционировать при воздействии вибрационных нагрузок и высокой температуре в пограничном слое, регистрировать на борту или передавать на землю характеристики высокочастотных случайных процессов.

Одной из самых сложных является проблема измерения пульсаций давления высокотемпературного газа. Применяемые чувствительные элементы (микрофоны, пьезоэлектрические датчики , датчики мембранного типа и т.д.) могут обеспечить достоверные измерения при температурах, не превышающих 600К.

Лучшим методом измерения частотных и корреляционных характеристик поля давления является метод, при котором, чувствительный элемент датчика установлен заподлицо с внешней поверхностью ЛА; однако в условиях гиперзвукового полёта , когда температура поверхности может достигать значения свыше 1000К, требуется принудительное охлаждение датчика циркулирующим потоком жидкости.

Использование для исследования высокотемпературных потоков датчиков пульсаций давления, рассчитанных на работу в нормальных температурных условиях, возможно только в случае их установки на безопасном расстоянии от исследуемой среды. Пульсации давления из пограничного слоя передаются к датчику через соединительный канал . Этот простой метод защиты датчика от больших тепловых потоков имеет существенные недостатки. Основной из них – значительное ухудшение динамических характеристик измерительного тракта из-за появления промежуточной акустической линии. Такой способ используется для измерения пульсаций давления в пограничном слое в низкочастотной части спектра (100…5000 Гц), что вполне приемлемо, например, для исследования перехода пограничного слоя из ламинарного в турбулентный.

Для измерения пульсаций давления в более высокочастотной части спектра применяются устройства , в которых звуковые колебания в пограничном слое передаются к чувствительному пьезоэлементу через специальный стержень, акустический импеданс которого близок к импедансу пьезоэлемента.

Сложной проблемой является также регистрация в полёте на борту высокочастотных процессов и передачи на землю полученной информации, так как радиотелеметрическая система обычно имеет ограниченный частотный диапазон.

В условиях летного эксперимента регистрация высокочастотных сигналов датчика пульсаций давления осуществляется на бортовой магнитный накопитель.

Другим способом регистрации высокочастотных процессов является использование анализатора пульсаций давления на борту ЛМ. Для определения уровня пульсаций давления в систему измерений включают бортовой вычислитель среднеквадратического уровня давления или анализатор спектра (рис2), выходной сигнал которого передается на землю по каналу телеметрической системы.