Аэродинамические источники шума

мость разработки эффективных мероприятий по снижению шума выхлопных струй приобретает особую актуальность.

Методы -снижения шума струй могут быть разделены на актив­ ные и пассивные [32]. Активные методы подразумевают воздействие на процесс турбулентного перемешивания выхлопного потока с окружающей средой. Пассивные методы предусматривают сниже­ ние уже образовавшегося шума посредством применения глушите­ лей, принцип работы которых заключается в основном в (Использо­ вании эффекта затухания акустической энергии в звукопоглощаю­ щих материалах. Далее рассмотрены только активные методы сни­ жения шума, предусматривающие применение цилиндрического эжектора, многотрубчатого насадка, сетчатого экрана и вдува до­ полнительного воздуха в зону смешения струи. Снижение шума струи при использовании этих методов осуществляется вследствие уменьшения градиента средней скорости и интенсификации процес­ са смешения, а оценка эффективности основана на полученных в разд. 2.4 результатах расчета шума участков турбулентной струи. Пассивные методы снижения шума, основанные на затухании в ка­ налах с импедансными стенками, могут быть рассмотрены с общих позиций независимо от типа источника шума,, поэтому в книге им посвящена гл. 4.

Безусловно, рассмотренные далее методы не охватывают все возможные способы снижения шума выхлопного потока. Кроме то­ го, в ряде случаев оказывается целесообразным совместное приме­ нение активного и пассивного методов снижения шума. Например* известны тлушители, использующие насадки и эжектор со звуко­ поглощающими стенками [2]. При истечении струи из сопла с на­ садком, выполненным в виде гофр или лепестков различной фор­ мы, происходит интенсификация процесса смешения и уменьшение протяженности эффективного объема зоны смешения, т. е. укоро­ чение области наиболее интенсивного излучения звука. В спектре шума струи снижаются низкочастотные и возрастают высокочас­ тотные составляющие шума. Применение эжектора со звукопогло­ щающими стенками обеспечивает эффективное снижение высокоча­ стотных составляющих шума, в результате чего акустическая эф­ фективность всей системы шумоглушения увеличивается. Далее эти методы не рассматриваются, так как пока нет достаточных дан­ ных для их акустического анализа и, кроме того, это выходит за рамки книги.

2.7.1. Цилиндрический эжектор

Простым способом снижения шума турбулентной струи являет­ ся применение на выхлопе цилиндрического насадка. При истече­ нии струи в трубу-эжектор происходит эжектирован.ие воздуха из окружающей среды, снижение градиента средней скорости и, сле­ довательно, уменьшение генерируемого шума. Эжектируемый в тру­ бу воздух смешивается с выхлопным потоком, а образующийся в результате смешения поток на выходе из эжектора имеет среднюю

скорость, меньшую по сравнению со скоростью истечения исходнойструи. Вследствие этого и уровни шума, создаваемые потоком на выходе из эжектора, меньше уровней шума исходной струи в слу­ чае ее свободного истечения.

Задача о снижении шума струи в эжекторе соответствует рас­ смотренному,в подразд. 2.5.7 случаю истечения струи в Спутный поток. Однако практическое решение рассматриваемой задачи су­ щественно сложнее вследствие возникающих трудностей аэродина­ мического и акустического характера. Так, известные'в настоящее время методы аэродинамического расчета эжектора с учетом по­ терь на входе, при трении, неравномерностей поля средних скоро­ стей базируются в основном на численных методах расчета. Труд­ ности акустического расчета эжектора, в свою очередь, заключа­ ются в недостатке сведений о структуре турбулентного потока в эжекторе и о характере акустического излучения при взаимодейст­ вии потока с ограничивающими твердыми стенками. По этим при­ чинам в общем виде решить задачу о снижении шума струи в эжек­ торе не представляется возможным в настоящее время.

Приближенная оценка акустической эффективности цилиндри­ ческого эжектора возможна при условии введения следующих уп­ рощающих допущений: длина эжектора достаточна для того, чтобы обеспечить полное смешение основного «И эжектируемого потоков, а на выходе из эжектора имеется равномерное поле скоростей; по­ скольку основная доля акустической энергии создается в началь­ ном участке струи, то оценку акустической эффективности эжекто­ ра будем проводить исходя из рассмотрения только начального? участка; скорость эжектируемого газа на внешней границе струи мало изменяется по длине начального участка; шумом, образую­ щимся при взаимодействии потока с внутренними стенками эжек­ тора, пренебрегаем.

С учетом этих предположений исходя из выражения для акус­ тической мощности элементарного объема турбулентного потока (2.86) величина снижения уровня акустической мощности струи вследствие применения эжектора представляется в следующем *иде:

где Хп — длина начального участка струи при наличии эжектора; ^ = [ /эж/£/с; £Лж — скорость эжектируемого воздуха.

Результаты расчета показывают, что с увеличением диаметра эжектора /)эж величина Ае сначала растет, а затем уменьшается (рис. 2.67). Экспериментальные данные были получены при испы­ таниях с эжекторами, выполненными в виде металлических труб длиной не менее 10 диаметров среза сопла. В этом случае обеспе­ чивалось равномерное поле скоростей на выходе из эжектора и, следовательно, минимальные уровни шума, образующегося при

снижения акустической мощности струи в необлицованном эжек­ торе.

Изложенные соображения относительно акустической эффектив­ ности справедливы для эжекторов, имеющих длину не менее 8 10 диаметров среза сопла. В случае применения коротких эжекторов полное смешение основного и эжектируемого потоков не обеспечи­ вается, и поэтому наблюдается сравнительно небольшое снижение шума струи.

Акустическая эффективность эжектора в области высоких час­ тот может быть увеличена, если внутреннюю поверхность трубы облицевать звукопоглощающим материалом. Однако в этом случае преобладающим может оказаться шум, образующийся в результа­ те смешения потока на выходе из эжектора с окружающей средой. Для увеличения эффективности облицованного эжектора необходи­ мо сбалансированно снижать шум потока на выходе из глушителя, например, путем уменьшения его скорости, и увеличивать затуха­ ние шума струи в эжекторе.

Отметим, что в случае применения эжектора статическое давле­ ние на срезе сопла уменьшается. Это может привести при некото­ рых обстоятельствах к такому режиму работы, когда перепад дав­ лений на сопле я с превышает величину критического перепада давлений. В этом случае, как было показано в подразд. 2.5.6, мо­ жет появиться дискретная составляющая шума, уничтожающая выигрыш в снижении шума в результате применения эжектора.

2.7.2. Многотрубчатый насадок

При установке на срезе выхлопного сопла многотрубчатого на­ садка (рис. 2.68), т. е. при замене исходной круглой струи на ряд более мелких струек, происходит снижение суммарной акустичес­ кой мощности выхлопного потока, сопровождающееся уменьшени­ ем уровней, низкочастотных и увеличением уровней высокочастот­ ных составляющих шума. Наиболее эффективное применение мно­ готрубчатого насадка отмечается в направлении максимальной ин­ тенсивности акустического излучения струи 0=30 40°

Исследования структуры потока в зоне смешения струй, исте­ кающих из многотрубчатого насадка, показали, что схематично те­

чение можно представить в виде сово­ купности двух участков. В первом, или начальном, участке истечение струек из каждой трубки происходит без какого-ли«- бо взаимодействия, т. е. независимо друг от друга. Длина начального участка оп­ ределяется диаметром трубок d> рассто­ янием между ними, условиями эжектирования воздуха между трубками и режи­ мом истечения выхлопного потока. Тече­ ние во втором, или основном, участке можно представить в виде части некото­ рой эквивалентной круглой струи, пара­ метры которой определяются из условия постоянства количества движения.

В пределах начального участка внешние струйки осуществляют экранирование шума внутренних струек. Вследствие этого интен­ сивность излучения звука в окружающее пространство от внутрен­ них струек ослабевает, а суммарная акустическая энергия началь­ ного участка меньше суммы акустических энергий всех струек в пределах этого участка. Частота максимального шума начального участка превышает частоту максимума в спектре шума исходной круглой струи. При условии равенства суммарной площади среза сопел трубок насадка и площади среза исходного круглого сопла

D = d V n справедливо следующее соотношение: / „ / / = ] / /г, гДе / н— частота шума струи с насадком; / — частота шума исходной струи; п — количество трубок насадка.

Увеличение числа трубок и, следовательно, уменьшение их диа­ метра вызывает смещение спектра шума в область более высоких частот.

Величина возрастания уровней шума в области высоких частот, вызываемого применением многотрубчатого насадка, уменьшается* при увеличении скорости эжектируемого воздуха, т. е. при умень­ шении градиента средней скорости в зонах смешения отдельных струек. Поэтому важнейшим параметром, определяющим акусти­ ческую эффективность многотрубчатого насадка, является также отношение площади, ограничивающей насадок, к площади среза* исходного сопла или величина расстояния между отдельными струйками.

Максимальное снижение уровней шума наблюдается при вели­ чине расстояния между трубками, равной приблизительно диа­ метру трубки. Уменьшение расстояния между трубками приводит к быстрому сливанию отдельных струек в единый турбулентный по­ ток и, следовательно, уменьшению акустического эффекта. В то же время чрезмерное увеличение этого расстояния приводит к пре­ образованию струек в совокупность обычных свободных струй. В этом случае сумма акустических мощностей струек становится равной акустической мощности исходной струи, а практически един­ ственный акустический эффект от применения многотрубчатого

AL, М, дБ

-10

-W

-30

-40

0,05 0,1 0,1 0,5 1,0 2,0 Sh

насадка заключается в перемещении спектра шума выхлопного по­ тока в высокочастотную область.

Метод оценки акустической эффективности многотрубчатого насадка основан на представлении суммарной акустической мощ­ ности в виде суммы акустических мощностей начальных участков отдельных струек и акустической мощности эквивалентной круг­ лой струи без учета .излучения от начального участка. В результа­ те использования полученных соотношений для оценки распределе­ ния интенсивности акустического излучения снижение уровня акус­ тической мощности струи при применении многотрубчатого насад­ ка представляется в следующем виде:

где k — коэффициент, характеризующий относительную долю тру­ бок, которые определяют суммарную акустическую мощность; F= = D3/Z))2, Дэ — диаметр эквивалентной струи, определяемый из условия постоянства количества движения.

С увеличением количества трубок п и величины относительной площади F наблюдается возрастание акустической эффективности насадка (рис. 2.69). Для определенного количества трубок в на­ садке имеется оптимальное значение F, при котором происходит максимальное снижение уровня акустической мощности выхлопного потока.

Оценка спектральных характеристик шума струи с многотруб­ чатым насадком в различных направлениях под» углом 0 к оси струи может быть осуществлена по геометрическим и газодинами­ ческим параметрам струек, истекающих из трубок, и эквивалент­ ной струи исходя из обобщенных характеристик шума свободной струи и результатов расчета спектров шума отдельных участков.

Результаты расчета акустической эффективности многотрубчатого насадка хорошо совпадают с данными экспериментальных ис­ следований (рис. 2.70). Шум струи с насадком в области высоких частот определяется шумом начального участка отдельных струек, а в области низких частот — шумом потока, образовавшегося в. результате слияния струек.

2.7.3.Вдув воздуха в зону смешении

Вслучае вдува на срезе сопла дополнительного воздуха пер­ пендикулярно оси ‘из расположенных -по периферии сопел малого диаметра происходит как снижение уровня суммарного шума струи,, так и перераспределение спектрального состава шума по анало­ гии со случаем многотрубчатого насадка [16]. В струе со вдувом: происходит снижение длины ядра постоянной скорости и некото­ рое увеличение толщины зоны смешения по сравнению со случаем свободного истечения. Распределение средних скоростей в зоне смешения струи со вдувом, так же как и в свободной струе, пр.и

этом практически подчиняется универсальному закону распределе­ ния средних скоростей.

Приближенную оценку эффективности струйного шумоглушите­ ля можно осуществить исходя только из факта уменьшения дли­ ны начального участка в струе со вдувом, на основе использования' полученной в разд. 2.4 зависимости между аэродинамическими w акустическими характеристиками потока. Распределение акусти­ ческой мощности вдоль струи определим .из выражения (2.86), а распределение спектральной плотности акустической мощности — из (2.104). Результаты расчета показывают, что в струе со вдувом происходит снижение суммарного акустического излучения (рис. 2.71) и низкочастотных составляющих шума; высокочастотные сос-

dW w 5

AL,Ai,dB

тавляющие шума струи со вдувом и свободной струи совпадают (рис. 2.72). Такой же акустический эффект наблюдается и при экспериментальных исследованиях.

Действием, аналогичным струйному глушителю, обладают так­ же вводимые в поток механические рассекатели воздуха. При сов­ местном вводе в зону смешения дополнительного воздуха и рассе­ кателей процесс смешения струи с окружающей средой еще более интенсифицируется, а акустический эффект возрастает.

2.7.4. Сетчатый экран

Существенного изменения характеристик шума струи можно добиться при установке вблизи среза сопла нормально оси сетча­ того экрана (рис. 2.73). Характер образующегося звукового поля обусловлен изменением структуры потока в зоне смешения .и мо­ жет быть объяснен из рассмотрения характеристик шума участка струи от среза сопла до сетчатого экрана и участка, расположен­ ного вниз по потоку за экраном.

Экспериментальные исследования аэродинамических характе­ ристик струи, натекающей на сетчатый экран, показали, что экран, расположенный на расстоянии x ^ D от среза сопла, практически не влияет на характер течения перед ним. Так, распределение сред­ них и пульсационных скоростей, статическое давление в этом уча­ стке практически не отличаются от соответствующих характерис­ тик свободной струи. Непосредственно за сетчатым экраном наб­ людается скачкообразное падение средней скорости потока, опре­ деляющееся площадью проходного сечения экрана. Поскольку средняя скорость является основным параметром интенсивности акустического излучения турбулентного потока, то таким образом происходит выделение шума участка от среза сопла до экрана. На­ чиная с некоторого расстояния в области вниз по потоку за экра­ ном осредненные и пульсационные характеристики течения совпа­ дают с соответствующими характеристиками свободной струи. Поэтому течение в области за экраном можно представить в виде части свободной струи, истекающей из некоторого эквивалентного сопла. Диаметр этого сопла определяется из величины секундного количества движения потока за экраном, являющегося функцией площади проходного сечения экрана и параметров исходной струи.

Следовательно, можно считать, что сетчатый экран, располо­ женный в струе нормально к оси, разделяет зону смешения на два участка, в каждом из которых справедливы закономерности, ха­ рактерные для свободной струи. Характеристики шума этих участ­ ков определяются исходя из результатов расчета шума участков свободной струи. Так, в результате расчета, проведенного в разд. 2.4, было установлено (см. рис. 2.32), что при уменьшении рас­ стояния от некоторого сечения струи до среза сопла в шуме уча­ стка, заключенного между этим сечением и срезом сопла, происхо­ дит уменьшение доли низкочастотных составляющих шума. По­ этому, чем ближе к срезу сопла находится экран, т. е. участок

^ Рис. 2.73. Схема истечения струи при наличии сетчатого экрана

Рис. 2.74. Сравнение результатов экс­ периментальных исследований шума струи (D = 46 мм, Uс=310 м/с) с сетчатым экраном и результатов рас­ чета спектров шума участков струи

е, дБ

струи меньшей протяженности выделяется, тем меньше содержание низких частот в спектрах шума (рис. 2.74).

В случае расположения сетчатого экрана в переходном или ос­ новном участках снижения уровней шума струи практически не наблюдается, поскольку в этом случае шум начального участка, определяющего в основном шум струи, остается без изменения. На­ блюдающееся в спектрах шума струи с экраном некоторое увели­ чение уровней высокочастотных составляющих обусловлено шу­ мом обтекания остова экрана. При расположении сетчатого экрана в начальном участке струи иногда появляются также дискретные составляющие шума. Возникновение этих составляющих, по-види- мому, обусловлено резонансными явлениями, реализующимися при наличии обратной акустической связи между экраном и выходным сечением сопла. Механизм генерирования шума в этом случае ана­ логичен рассмотренному в разд. 2.5 для дискретного тона струи при сверхкритическом перепаде давлений на сопле.

Сетчатые экраны могут использоваться как •самостоятельно, так и в сочетании с другими эффективными методами снижения Щума выхлопного потока, например, в глушителе, облицованном звуко­ поглощающим материалом. Необходимо отметить, что применение сетчатых экранов и других механических глушителей шума приво­ дит к значительным потерям импульса (тяги) струи и поэтому та­ кие устройства нашли широкое применение только в стационарных установках.

Г л а в а 3

ШУМ ТУРБУЛЕНТНОГО ПОТОКА ПРИ НАЛИЧИИ ТВЕРДЫХ ГРАНИЦ

Источники звука, образующиеся при обтекании твердых тел по­ током, занимают значительное место в аэроакустике. Изучение их вызвано необходимостью определения шума винтов, вентиляторов;., компрессоров, турбин, шума взаимодействия струи с преградами ю т. п. [2, 33, 72]. Решение уравнений, описывающих образование и распространение звука при обтекании потоком твердого тела, со­ пряжено с большими трудностями вследствие сложности, во-пер­ вых, определения сил возникающих на поверхности тел при обте­ кании тел потоком, во-вторых, учета взаимодействия образующе­ гося звука с потоком [27]. Поэтому здесь, как и в гл. 2, ограничим­ ся решением задач без учета второго фактора, сосредоточив вни­ мание на определении действующих сил на поток и излучении зву­ ка -от этих сил. Сравнение результатов такого подхода с экспери­ ментом дает в ряде случаев положительную оценку, подтверждая тем самым правомочность выбранного метода решения задачи.

3.1. ОСНОВНЫЕ УРАВНЕНИЯ

Для случая обтекания потоком неподвижной твердой поверхно­ сти общее решение волнового уравнения будет иметь вид интегра­ ла Кирхгоффа

определить звуковое давление; п — направление нормали к поверх­ ности S.

В этом уравнении все величины d2Tij/dyidtfjt dq/dn, q, dq/dt взя­ ты со временем запаздывания г =t—г/с0. Первый интеграл взят по всему объему V, .внешнему к твердым границам, второй интеграл взят только по поверхности 5 твердых границ.

Учтем, что t)i^nlu li — направление косинуса нормали к по­ верхности 5, кроме того,