Аэродинамические источники шума

ном угле 0 по мере изменения параметра спутности соответствует изменению уровня суммарной акустической мощности.

Спектры шума соосных струй при изменении параметра спутности преобра­ зуются следующим образом. Увеличение т от 0 до ~0,5 вызывает возрастание низкочастотных составляющих шума и снижение высокочастотных составляющих. При дальнейшем увеличении параметра спутности происходит возрастание сос­ тавляющих шума во всем диапазоне частот. Приближенно спектральные харак­ теристики шума соосных струй могут быть представлены в обобщенном виде. Так, спектры шума при различных углах наблюдения и спектры акустической мощности, представленные как функции от параметров эквивалентной струи, т. е. в виде функции от числа S h = f D 3/ U \ t практически совпадают с аналогичными спектральными характеристиками круглой струи (рис. 2.57).

Для инженерной практики может быть рекомендован следующий метод рас­ чета шума изотермических соосных струй с обычным профилем скоростей. Акус­ тическая мощность рассчитывается по формуле (2.129) исходя из известных ди­ аметров сопел и скоростей потоков внутреннего и внешнего контуров. Характе­ ристики направленности и спектры шума определяются по параметрам эквива­ лентной струи на основе методов расчета шума круглой струи.

Рассмотрим изменение акустической мощности соосных струй в зависимо­ сти от степени двухконтурности т*, которая определяется как отношение рас­ хода во внешнем контуре к расходу во внутреннем контуре:

струй сначала уменьшается, а затем возрастает (рис. 2.58).. Для определенного

соотношения диаметров D существует оптимальная степень двухконтурности, при которой соосные струи дают наибольшее снижение Де уровня акустической мощности по сравнению с круглой струей внутреннего контура. Абсолютная ве­

личина Де растет с увеличением т* и D.

2.6.3. Соосные струи с «перевернутым» профилем скоростей ( C/o/f/i > 1)

В общем виде акустическая мощность соосных струй с «перевернутым» про­ филем скоростей представляется в виде суммы акустических мощностей облас­ тей смешения 1, II и III (см. рис. 2.49). Так же как и в случае соосных струй с обычным профилем скоростей составляющие акустической мощности выража­ ются с помощью формул, аналогичных формулам (2.126) —(2.128). Однако мож­ но указать диапазоны изменения соотношения скоростей потоков внутреннего и внешнего контуров, в которых формула для расчета акустической мощности со­ осных струй с «перевернутым» профилем скоростей представляется в упрощен­

тическую мощность соосных струй практически «можно считать равной акустиче­ ской мощности соответствующей кольцевой струи и определять согласно выра­ жению (2Л23) или (12.124).

В диапазоне изменения соотношения скоростей 2 < t/2/ i < 10 вследствие существования значительных градиентов скоростей при смешении высокоскорост­ ного потока внешнего контура с окружающей средой и с потоком внутреннего контура истечение соосных струй можно представить в виде истечения кольце­ вой струи внешнего контура, с одной стороны, в неподвижную окружающую среду, а с другой, — в спутный поток внутреннего контура. В этом случае, так же как и при рассмотрении кольцевой струи, истекающей в неподвижную среду, оценку шума проведем в сравнении со случаем круглой струи исходя из расчета шума начальных участков, учтя при этом увеличение длины начального участка кольцевой струи вследствие менее интенсивного нарастания ширины внутренней области смешения по сравнению со случаем истечения в неподвижную среду (рис. 2.59).

Математически увеличение интенсивности излучения внешней области сме­ шения отражается в увеличении предела интегрирования в формуле (2.118) на

где т' = U i/U 2.

Разность уровней акустической мощности соосных струй ес с и круглой струи г2>истекающей из сопла внешнего контура диаметром J0 2 со скоростью U 2y будет

зывает область взаимного перемешивания потоков внутреннего и внешнего кон­ туров (область III) вследствие того, что скорости потоков становятся сравни­ мыми по величине.

В этом случае акустическую мощность, излучаемую областями I и I I I , це­ лесообразно оценить при помощи введения эквивалентной струи, истекающей со скоростью U 2 из сопла диаметром £>Э) величина которого определяется из усло­ вия постоянства количества движения.

= V D2 + т'* — l.

Следует отметить, что в рассматриваемом диапазоне соотношений скоростей вклад от внутренней области смешения в суммарный шум мал вследствие не­ большой разницы скоростей потоков. Поэтому при оценке шума соосных струй в формуле (2.133) можно ограничиться только первым членом. Тогда разность уровней акустической мощности соосных струй и круглой струи внешнего конту­ ра определяется соотношением

Ае' = 10 \g k '3 + 2 0 lg ( D 3/ D ) .

Рис. 2.60. Зависимость разности уровней акустической мощности соосных и круг­ лых струй от соотношения скоростей потоков (D = 1,5)

Результаты расчета и экспериментальных исследований акустической мощ­ ности соосных струй с «перевернутым» профилем скоростей приведены на рис. 2.56 совместно с результатами исследований акустической мощности соосных, струй с обычным профилем скоростей, что позволяет проследить общую тенден­ цию изменения шума при изменении соотношения скоростей потоков внутреннего* и внешнего контуров. Так, по мере увеличения Дг/£А от 0 до 1 происходит по­ степенное преобразование характеристик шума соосных струй в соответствующиехарактеристики круглой струи внешнего контура, а при дальнейшем увеличении» U 2/V \ — в характеристики шума кольцевой струи.

Зависимость разности уровней акустической мощности соосных и круглых, струй от соотношения скоростей U 2/U \ представлена на рис. 2.60. Для соосных струй с различным профилем скоростей оптимальная величина параметра спутности, при которой наблюдается наибольшее снижение шума по-сравнению с ис­ ходной круглой струей, равна т = т ' = 0,3 ... 0,5.

Характеристика направленности суммарного шума соосных струй с «перевер­

ным профилем скоростей или круглой струи. Однако при значениях параметра:

имеет более равномерное пространственное распределение (рис. 2.61). Так, раз­ ность уровней шума при углах 0= 30 и 120° в случае «перевернутого» профиля скоростей составляет ~8 дБ, а в случае обычного профиля ^11 дБ.

Результаты измерений спектральных характеристик шума соосных струй с «перевернутым» профилем скоростей целесообразно представить совместно с ре­ зультатами измерений соответствующих характеристик круглой струи внешнего

скоростей по сравнению со случаем круглой струи.

В области высоких частот интенсивность излучения звука круглой и соос­ ными струями практически составляет одну и ту же величину. Это происходит потому, что высокочастотные составляющие шума излучаются в основном вблизи среза сопла, где область смешения высокоскоростного потока внешнего контура с окружающей средой представляет собой часть области смешения круглой струи.

Спектры шума соосных струй в диапазоне изменения параметра спутности = 0,3 0,5 имеют практически один и тот же вид. При увеличении параметра спутности т ' от 0,5 до 1,0 уровни шума возрастают так, что происходит посте­ пенное преобразование спектральных характеристик шума соосных струй в со­

ответствующие характеристики шума круглой струи внешнего контура.

тым» профилем скоростей можно объяснить исходя из следующих соображений. Как было установлено в разд. 2.4 и 2.5, при околозвуковых скоростях потока происходят возрастание эффективности акустического излучения и усиление на­ правленности звукового поля вследствие действия эффекта конвекции турбу­ лентных вихрей. В соосных струях с «перевернутым» профилем скоростей вслед­ ствие малой протяженности области существования высокоскоростного потока

струей. Поскольку эти частоты преобладают при небольших углах G, т. е. в на­ правлении максимального излучения, то ослабление влияния эффекта конвекции приводит к уменьшению максимального уровня звукового давления и, следова­ тельно, к более равномерному пространственному распределению шума (см. рис. 2.61).

Общий вид спектра акустической мощности соосных струй с «перевернутым» профилем скоростей можно объяснить, исходя из оценки спектра акустического

лой струи внешнего контура. Спектр акустической мощности этой области опоеделяется из рис. 2.32.

Также, очевидно, что низкочастотная часть спектров шума соосных струй определяется излучением звука из области I I I , наиболее удаленной от плоскости среза сопла. При оценке спектрального состава шума этой обдасти будем счи­ тать, что она представляет собой совокупность переходного и основного участ­

потоков внешнего и внутреннего контуров. Так, с уменьшением разницы скорос­ тей потоков снижается интенсивность акустического излучения, и происходит смещение спектра излучения в сторону низких частот. Для реально возможных

грешности при оценке шума соосных струй.

пени двухконтурности

Результаты расчета и экспериментальных исследований спектра акустичес­ кой мощности соосных струй с «перевернутым» профилем скоростей обнаружи­ вают хорошее совпадение в области низких и высоких частот (см. рис. 2.62). Некоторое несоответствие расчетных и экспериментальных данных в области средних частот объясняется неучтенным при расчете излучением звука из обла­ сти II, а также ,из переходной области, существующей при преобразовании соос­ ных струй в эквивалентную круглую струю.

Степень двухконтурности (2.130) для изотермических соосных струй с «пе­ ревернутым» профилем скоростей имеет следующий вид:

т * = ф 1 — \ ) /т г.

Так же как и в случае обычного профиля скоростей (см. рис. 2.58), с уве­ личением т* акустическая мощность соосных струй сначала уменьшается, а за­

тем возрастает (рис. 2.63). Для каждого соотношения диаметров D существует оптимальная величина т*, при которой наблюдается минимум акустической мощ­ ности. Причем в обоих случаях начального профиля скоростей оптимальная сте­

соосных струй с «перевернутым» профилем скоростей выражена менее отчетливо. Это объясняется тем, что если в случае обычного профиля скоростей рост акус­ тической мощности с увеличением т* характеризует преобразование соосных струй в круглую струю внешнего контура, то в случае «перевернутого» профиля скоростей увеличение т* соответствует уменьшению параметра спутности т ' и, следовательно, преобразованию соосных струй в кольцевую струю, шум которой

вследствие изменения начального профиля скоростей проведем сравнение шума равных по тяге изотермических соосных струй с обычным и «перевернутым» профилем скоростей. Разность уровней акустической мощности соосных струй с

обычным 8с.с и «перевернутым» ес#с профилем скоростей представляется

Де* = ес.с — ес.с;

Де* = Де — Де' + 80 lg ( U ^ U ^)’ + 20 lg ( D I /D'2) ,

где обозначения со штрихом относятся к соосным струям с «перевернутым» про­ филем скоростей.

Если сравнение uiyMja соосных струй осуществить при условии постоянства внешнего диаметра двухконтурного сопла D 2= D 2 и максимальной скорости ис­ течения U\ = U2', то разность уровней акустической мощности соосных струй определяется

Де* = Де ( т , D ) — Де' (т ', D ') — 20 lg D, а условие равенства тяг записывается в следующем виде:

[1 -f m2(5 2 — 1)] D ' 2 — ( т ' 2 - h 5 ,a— 1)D 2.

Таким образом, определяя взаимосвязь геометрических и аэродинамических пяоаметров, можно оценить разность уровней акустической мощности соосных струй с различным профилем скоростей.

Наиболее наглядно сравнение характеристик шума соосных струй провести на примере истечения из двухконтурного, сопла с равной площадью среза внут­

реннего и внешнего контуров 1,4, поскольку в этом случае условие постоян­ ства тяги выполняется при взаимном обмене скоростей внутреннего и внешнего

на величину до ~3 дБ. В наибольшей степени эффект от применения «перевер­ нутого» профиля скоростей проявляется при небольших углах наблюдения 0<С <30° (см. рис. 2.61); в области углов 0^60° уровни шума соосных струй прак­ тически равны. Спектры шума накладываются таким образом, что в области низких и средних частот более шумными являются соосные струи с обычным профилем скоростей, а в области высоких частот — с «перевернутым» профилем скоростей (рис. 2.64).

Различие характеристик шума соосных струй объясняется различным рас­ пределением в зонах смешения пульсационных и средних скоростей. Так, вслед­ ствие большей величины интенсивности турбулентности вблизи среза сопла (см. рис. 2.52) уровни высокочастотного шума составляют большую величину в слу­ чае «перевернутого» профиля скоростей. И, наоборот, интенсивность акустичес­ кого излучения соосных струй с обычным профилем скоростей больше в области1 низких и средних частот вследствие большей величины интенсивности турбулент­ ности на значительных расстояниях от среза сопла (см. рис. 2.53). Кроме того, поскольку на больших расстояниях величины максимальной средней скорости составляют большую величину в соосных струях с обычным профилем скоростей (см. рис. 2.51), то соответственно в этом случае более отчетливо проявляется; эффект конвекции. Поэтому разность уровней шума составляет большую величи­ ну при 0 = 30°, чем при 0 = 90°, где влияние эффекта конвекции не должно об­ наруживаться. По этой же причине, как уже отмечалось, направленность сум­ марного шума соосных струй с «перевернутым» профилем скоростей имеет более равномерный характер.

С уменьшением ширины потока внешнего контура, т. е. с уменьшением D,. величина снижения акустической мощности соосных струй вследствие примене­ ния «перевернутого» профиля скоростей возрастает. Пониженные уровни шума1 такой струи объясняются резким уменьшением длины ядра высокоскоростногопотока внешнего контура и, следовательно, уменьшением длины участка наибо­ лее интенсивного излучения, звука. В то же время акустическая мощность соос­ ных струй с обычным профилем скоростей, истекающих из двухконтурного сопла

с широким внешним контуром (D > 2,0), может быть меньше акустической мощ­ ности соосных струй с «перевернутым» профилем" скоростей. Пониженные уровни шума таких струй объясняются значительным снижением градиента средней скорости при смешении высокоскоростного внутреннего потока с окружающей средой и, следовательно, снижением интенсивности турбулентных пульсаций ско­ рости, обуславливающих образование аэродинамического шума.

Отмеченный характер зависимости разности уровней акустической мощности1 соосных струй с различным профилем скоростей от соотношения диаметров на­ блюдается в области значений параметра спутности т или /п'<0,7. При боль­ ших значениях параметра спутности т или т ' > 0,8 шум соосных струй с раз­ личным профилем скоростей различается незначительно.

2.6.4. Неизотермические соосные струи

При оценке шума изотермических соосных струй были использованы резуль­ таты расчета распределения интенсивности акустического излучения вдоль изо­ термической круглой струи. Однако для неизотермического потока метод расче­ та акустических характеристик в настоящее время еще не разработан вследст­ вие отмеченных ранее сложностей решения неоднородного волнового уравнения. Поэтому расчет шума неизотермических соосных струй с обычным профилем скоростей будем проводить с использованием следующих предположений. При­ мем, что изменение акустической мощности единицы длины неизотермической круглой струи вдоль оси такое же как в изотермической. Расчет геометрических параметров зоны смешения неизотермических соосных струй проведем по анало­ гии со случаем изотермических струй, поскольку зависимость ширины зоны смешения струи от степени подогрева незначительна. При оценке суммарного шума иеизотермических струй используем формулу для акустической мощности струи турбореактивного двигателя (2.108).

Тогда, исходя из (2.129) разность уровней акустической мощности неизотермических соосных струй ес.с с обычным профилем скоростей и затопленной струи внутреннего контура ei представляется

Ае= ес.с еь

тп*

Расчеты по приведенным формулам показывают (рис. 2.65), что чем меньше разность температур потоков внутреннего и внешнего контуров, тем больше снижение шума соосных Струй по сравнению с шумом затопленной внутренней струи и тем выше оптимальный параметр спутности, при котором наблюдается максимальное снижение шума.

Для сравнения характеристик шума выхлопа турбореактивных и двухкон­ турных турбореактивных Двигателей определим акустические мощности круглой и соосных струй при условии постоянства количества движения, т. е. тяг двига­

по величине. Тогда из условия постоянства количества движения соотношение диаметров среза сопел внутреннего контура и круглой струи определяется

где X и v (X ) относятся к Круглой струе.