Исследование влияния акустических резонаторов на термоакустические процессы в установках с теплоподводом тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.05, кандидат физико-математических наук Москвичев, Дмитрий Юрьевич

• Москвичев, Дмитрий Юрьевич
• кандидат физико-математических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Москвичев, Дмитрий Юрьевич

Введение

Глава 1. Состояние исследуемых вопросов

Глава 2. Оборудование и методики проведения исследований

2.1. Постановка экспериментов по изучению влияния резонаторов на термоакустические колебания в трубе Рийке

2.2. Оборудование и методика проведения экспериментов с прямоточной эжекторной камерой сгорания и резонатором при вибрационных режимах горения водорода

2.3. Методика обработки экспериментальных данных

Глава 3. Влияние резонаторов на термоакустические процессы в установке с локальным теплоподводом

3.1. Измерения температуры в трубе Рийке

3.2. Акустические измерения в трубе Рийке с резонатором

3.3. Результаты Главы

Глава 4. Влияние резонаторов на работу прямоточной эжекторной камеры сгорания при вибрационном горении водорода

4.1. Влияние продольного размера резонатора на акустические и тяговые характеристики камеры сгорания

4.2. Гистерезис акустических и тяговых характеристик камеры сгорания с резонатором

4.3. Влияние формы резонаторов на тяговые и акустические характеристики камеры сгорания

4.4. Результаты Главы 4 78 Заключение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование влияния акустических резонаторов на термоакустические процессы в установках с теплоподводом»

Процессы термоакустической неустойчивости газожидкостных потоков в трубах оказывают значительное влияние на динамику течений в сложных системах. Особо важны эти явления для двигателестроения, тепловой и атомной энергетики, криогенного оборудования. Термоакустические колебания могут приводить к нарушению технологических процессов и разрушению конструкций, поэтому резонаторы обычно применяются для подавления колебаний. Отсутствие общей теории, которая позволяла бы анализировать комплексы резонаторов в широком диапазоне частот при больших и малых амплитудах, и при наличии теплопод-вода, делает актуальным исследование влияния резонаторов на термоакустические процессы в установках с локальным теплоподводом.

Исследования вибрационного горения водорода в прямоточной камере сгорания эжекторного типа показали возможность получения силы тяги при нулевых скоростях набегающего потока. Существует перспектива создания устройств на основе прямоточной камеры сгорания для получения тяги при малых скоростях набегающего потока. Это делает актуальным исследования влияния резонаторов на тяговые характеристики прямоточной камеры сгорания эжекторного типа при вибрационном горении водорода.

Целью работы является экспериментальное исследование характеристик одиночного резонатора для управления термоакустическими колебаниями, возникающими в установках с теплоподводом. В качестве установок для проведения экспериментов использовались труба Рийке и прямоточная камера сгорания эжекторного типа с вибрационным режимом горения водорода.

Работа включает в себя следующие направления исследований:

- Изучение влияния резонаторов разной формы на температурные и акустические характеристики установки с локальным теплоподводом, в которой возникают низкочастотные термоакустические колебания (труба Рийке). Определение областей возбуждения, подавления или усиления термоакустических колебаний. Выделение геометрических и энергетических параметров, влияющих на режимы работы установки.

- Изучение влияния формы резонатора на акустические и тяговые характеристики прямоточной камеры сгорания эжекторного типа при различных режимах вибрационного горения водорода.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитируемой литературы. Объем диссертации составляет 118 страниц, включая 33 рисунка, две таблицы и приложение. Список цитируемой литературы включает 85 наименований.

Заключение диссертации по теме «Механика жидкости, газа и плазмы», Москвичев, Дмитрий Юрьевич

Заключение

Выполнены экспериментальные исследования влияния акустических резонаторов на термоакустические процессы в установках с теплоподводом. В качестве установок для проведения экспериментов использовали трубу Рийке и прямоточную камеру сгорания эжекторного типа с вибрационным режимом горения водорода.

Получены следующие основные результаты:

1. Показано, что термоакустические колебания в трубе Рийке влияют на распределение температуры воздуха в трубе. При возникновении колебаний зона с наибольшей температурой смещается от оси трубы к стенке, создавая кольцевую область нагретого воздуха в пристеночной области. При помощи резонатора можно изменить амплитуду колебаний и распределение температуры воздуха в трубе.

2. Получены экспериментальные данные о влиянии резонаторов разной формы на температурные и акустические характеристики установки с локальным теплоподводом. Показано, что существует пороговая величина мощности тока на нагревателе (на данной установке W~ 660 Вт), выше которой колебания, подавленные при меньшей мощности тока, возникают снова. Теоретические оценки параметров акустических резонаторов, полученные без учета теплоподвода, не совпадают с экспериментальными результатами, что приводит к увеличению расчетной полости резонатора и может сопровождаться развитием колебаний.

3. Анализ экспериментальных результатов показал, что резонатор с объемом полости 0.33 % от общего объема установки обеспечивает подавление колебаний в установке с теплоподводом.

4. Показано, что при помощи резонатора, присоединенного к прямоточной эжекторной камере сгорания, можно влиять на амплитуду колебаний и величину силы тяги. Наибольшее значение силы тяги F~0.5H получено при использовании резонатора с диаметром полости (d= 11 мм), мало отличающемся от диаметра горла. Увеличение диаметра полости резонатора приводит к подавлению колебаний и развитию силы сопротивления.

5. Обнаружен и описан эффект гистерезиса акустических и тяговых характеристик камеры сгорания с резонатором по расходу водорода. В области гистерезиса величина удельного импульса камеры сгорания с резонатором может достигать значения / ~ 4500 м/с.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Москвичев, Дмитрий Юрьевич, 2007 год

1. Стретт Дж. (Лорд Рэлей). Теория звука. Т. 2. М.: Гостехиздат, 1944.476 с.

2. Лэмб Г. Динамическая теория звука. М.: Госиздат Физ.-мат. литры, 1960. 372 с.

3. Ржевкин С.Н. О возможности получения больших коэффициентов поглощения звука при помощи систем резонаторов //ДАН СССР. 1938. Т. XVIII, №1. С. 25-30.

4. Ржевкин С.Н. Резонансный звукопоглотитель с податливой стенкой // ЖТФ. 1946. Т. XVI. № 4. С. 381-395.

5. Ржевкин С.Н., Теросипянц С.Т. Исследование сопротивления фрикционных слоев для звукопоглощающих систем // ЖТФ. 1941. Т. XI, №1-2. С. 149-159.

6. Велижанина К.А. Экспериментальное исследование резонансных звукопоглотителей //ЖТФ. 1951. Т. XXI, вып. 9. С. 1087-1099.

7. Титова Н.Б. Исследование широкополосных резонансных глушителей // Аэроакустика. М.: Наука, 1980. С. 66-73.

8. Велижанина К.А. К вопросу о расчете звукопоглотителей из пористого материала с перфорированной панелью // Акуст. журн. 1968. Т. 14, № 1.С. 50-56.

9. Колев П.Г. Применение звукопоглощающих материалов в резонансных глушителях шума // Аэроакустика. М.: Наука, 1980. С.53 -57.

10. Велижанина К.А., Лебедева И.В. Исследование резонансных зву-копоглотителей при высоких уровнях звука // Акуст. журн. 1980. Т. 26, №5. С. 667-672.

11. Велижанина К.А., Оборотов В.А. Влияние глубины полости резонатора на его резонансные свойства // Акуст. журн. 1979. Т. 25, №5. С. 661-669.

12. Сушков A.J1. Модельные исследования акустических резонаторов // Аэроакустика. М.: Наука, 1980. С.124-131.

13. Велижанина К.А., Оборотов В.А. Новый низкочастотный и ин-фразвуковой резонансный звукопоглотитель // Акуст. журн. 1983. Т. 29, № 1.С. 5-10.

14. Велижанина К.А., Дудкин Д. А. Новая конструкция резонансного звукопоглотителя для глушения низкочастотных шумов // Акуст. журн. 1989. Т. 35, № 1. С. 151-154.

15. Ingard U., Labate S. .Acoustic Circulation Effect and Nonlinear Impedance of Orifices // J. Acoust. Soc. Amer. 1950. Vol. 22, № 2. P.211-219.

16. Ingard U. On the Theory and Design of Acoustic Resonators // J. Acoust. Soc. Amer. 1953. Vol. 25, № 6. P.1037-1067.

17. Zinn B.A. A Theoretical Study of Nonlinear Damping by Helmholtz Resonators // AIAA Paper: AIAA Fifth Propulsion Specialists Meeting. June, 1966. № 69-481. P. 105-123.

18. Руденко O.B., Хирных K.JI. Модель резонатора Гельмгольца для поглощения интенсивного звука // Акуст. журн. 1990. Т. 36, № 3. С. 527-535.

19. Неустойчивость горения в ЖРД / Под ред. Д. Т. Харрье и Ф. Г. Рирдона. М.: МИР, 1975. 869 с.

20. Ronald L. Panton, John М. Miller Resonant frequencies of cylindrical Helmholtz resonator//J. Acoust. Soc. Amer. 1975. Pt II. Vol. 57, № 6. P. 1533-1535.

21. Anderson J.S. The effect of air flow on a single side branch Helmholtz resonator in a circular duct // J. of Sound and Vibration. 1977. Vol. 52, № 3. P. 423-431.

22. Alster M. Improved calculation of resonant frequencies of Helmholtz resonators // J. of Sound and Vibration. 1972. Vol. 24, № 1. P. 63-85.

23. Tang P.K., Sirignano W.A. Theory of a Generalized Helmholtz Resonator // J. of Sound and Vibration. 1973. Vol. 26, № 2. P. 247-262.

24. Сухинин C.B., Ахмадеев В.Ф., Корляков B.H. и др. Подавление акустических колебаний в камерах сгорания резонансными звукопо-глотителями. НПО "Информация и технико-экономические исследования". М., 1991.48 с.

25. Кондратьев В.И., Сушков АЛ. Подавление автоколебаний в камере сгорания резонансными звукопоглотителями // Аэроакустика. М: Наука, 1980. С. 109-112.

26. Велижанина К.А., Дудкин Д.А. Резонансный поглотитель. Авт. свид-во СССР. № 1265271, кл. Е 04 В 1/82. 1984.

27. Гетия И.Г., Шумилин В. К. и др. Объемный многорезонансный звукопоглотитель. Авт. свид-во СССР. № 1502742, кл. Е 04 В 1/82. 1987.

28. Гаспарян Ю. А. и др. Резонансный звукопоглотитель. Патенты США. № 1617111, кл. Е 01 N 1/02. 1988 и № 3887031, кл. Е 04 В 1/84.1973.

29. Шатило С. Н., Юдин Е.Я. и др. Звукопоглощающая конструкция. Авт. свид-во СССР. № 1735519, кл. Е 04 В 1/82. 1/99, G 10 К 11/00. 1989.

30. Абрамчик М., Малецкий И. Резонансный объемный звукопоглотитель. Авт. свид-во СССР. № 1723277, кл. Е 04 В 1/84.1988 .

31. Неприненко Б.А., Костанда B.C. Устройство для снижения шума поезда метрополитена. Авт. свид-во СССР. № 1819956. кл, Е 04 В 1/84. 1993 .

32. Слободник Д.Х., Терк В.А. и др. Глушитель шума. Авт. свид-во СССР. № 977841, кл. F 01 N 1/00. 1982.

33. Терехин А.С., Яхонтов В.И. Глушитель шума аэродинамической установки. Авт. свид-во СССР. № 1041722, кл. F 01 N 1/04. 1982.

34. Генкин М.Д., Кравченко С.В. и др. Гаситель пульсаций. Авт. свид-во СССР. № 1381305, кл. F 16 L 55/04. 1988 .

35. Шорин В.П., Санчугов В.И. и др. Гаситель колебаний давления. Авт. свид-во СССР. № 808763, кл. F 16 L 55/04. 1981.

36. Гусаков В.Г., Поляков Е.Т. и др. Глушитель шума газового потока. Авт. свид-во СССР. № 926337, кл. F 01 N 1/02. 1982.

37. Михайленко Т.И., Мальцева Н.А., Капранова Т.А. Глушитель шума выпуска двигателя внутреннего сгорания. Патент РФ. № 2015357, кл. F 01 N 1/02. 1991.

38. Доник В.Д., Савченко П.С. и др. Глушитель шума. Патент РФ. № 2051278, кл. 6 F 01 N 1/00.1/08. 1995.

39. Ржевкин С.Н. Курс лекций по теории звука. Изд. Моск. унив-та, 1960. 337 с.

40. Раушенбах Б.В. Вибрационное горение. М.: Гос. изд. физ.-мат. лит., 1961.500 с.

41. Абрамович ГН. Прикладная газовая динамика. М.: Наука, 1969. 824 с.

42. Польшин А.В. Незатухающие колебания газа в трубах при подводе тепла // Прикладные вопросы тепломассообмена. №2. Днепропетровск: ДГУ, 1977. С. 27-30.

43. Полыиин А.В. Труба Рийке как источник одночастотных акустических колебаний // Акуст. журн. 1982. Т. 28, № 1. С. 54-59.

44. Беляев Н.М., Белик Н.П., Польшин А.В., Термоакустические колебания газожидкостных потоков в сложных трубопроводах энергетических установок. Киев-Донецк: Изд. объед. "Вища школа", 1985. 200 с.

45. Беляев Н.М., Белик Н.П., Польшин А.В. Обзор литературы по термоакустическим колебаниям Рийке и Зондхаусса. Днепропетровск, 1973. 46 С. рукопись деп. в ВИНИТИ. № 7742-73 Деп.

46. Белик Н.П., Польшин А.В. Экспериментальные исследования колебаний Рийке. Днепропетровск, 1981. 34 с. рукопись деп. в ВИНИТИ. № 1490-81 Деп.

47. Мароне И.Я., Таракановский А.А. Исследование возбуждения звука в трубе Рийке // Акуст. журн. 1967. Т. 13, № 2. С. 302-304.

48. Марченко В.Н., Тимошенко В.И. Исследование термической генерации звука в трубе Рийке // Акуст. журн. 1970. Т. 16, № 2. С. 323-324.

49. Потапкин А.В., Устинов В.В. Особенности термического возбуждения звуковых колебаний воздуха в трубах при естественной тепловой конвекции. Отчет №1825-А. Новосибирск: ИТПМ СО РАН, 1988.42 с.

50. Таракановский А.А., Штейнберг В.Б. Возбуждение акустических колебаний в трубе со сдвоенной сеткой Рийке // Акуст. журн. 1972. Т. 18, №2. С. 299-304.

51. Maling G.C. Jr. Simplifield Analysis of the Rijke Phenomenon // J. Acoust. Soc. Amer. 1963. Vol. 35, № 7. P. 1058-1060.

52. Merk U J. Analysis of heat driven oscillations of the gas flow // Appl. Scient. Res. 1957. A6, № 317. P.402-410.

53. Neuringer J.L., Hudson G.E. Investigations of sound vibrations in a tube containing a heat source // J. Acoust. Soc. Amer. 1952. Vol. 24. P.667-674.

54. Trilling L. On thermally induced sound fields // J. Acoust. Soc. Amer. 1955. Vol. 27. P.425-431.

55. Yoshiro Katto, Akira Sajiki. Onset of oscillation of a Gas-Column in a tube due to the existence of heat-conduction field // Bulletin of the JSME. 1977. Vol. 20, № 147. P. 1161-1168.

56. Yoshiro Katto, Kenji Takano. Study of the oscillation of a Gas-Column caused by heat conduction in a tube // Bulletin of the JSME. 1977. Vol. 20, № 147. P. 1169-1174.

57. Нестационарное распространение пламени / Под ред. Маркштей-на Дж.Г. М.: Мир, 1968. 437 с.

58. Баев В.К., Чусов Д.В., Потапкин А.В. Экспериментальное исследование интегральных силовых характеристик камеры сгорания эжекторного типа, работающей на водороде. Отчет N 2279. Новосибирск: ИТПМ СО РАН, 1994. 37 с.

59. Баев В.К., Потапкин А.В., Чусов Д.В. Влияние термоакустических процессов на силовые характеристики камеры сгорания. // Сб. Математическое моделирование, аэродинамика и физическая газодинамика. Новосибирск, 1995. С. 187-188.

60. Баев В.К., Потапкин А.В., Шумский В.В. Проявление нестационарности при исследовании процессов горения. Препринт № 6-97. Новосибирск: ИТПМ СО РАН, 1997.43 с.

61. Раушенбах Б.В., Белый С.А. и др. Физические основы рабочего процесса в камерах сгорания воздушно реактивных двигателей. М.: Машиностроение, 1964. 526 с.

62. Будзинаукас М.П. Расчет характеристик эжекторного сопла // Научно-технический сб. трудов по прикладной газотермодинамике, вып. 89. Рига: РИИ ГА, 1966. С. 3-36

63. Будзинаускас М. П. Тяговые характеристики ТРД с эжекторным соплом // Научно-технический сб. трудов по прикладной газотермодинамике. вып. 89. Рига: РИИ ГА, 1966. С. 37-70

64. Ененков В .Г. Графоаналитический метод расчете эжекторов // Научно-технический сб. трудов по прикладной газотермодинамике, вып. 116. Рига: РИИ ГА, 1967. С. 3-30.

65. Ененков В.Г. Экспериментальное исследование многощелевых атмосферных эжекторов // Научно-технический сб. трудов по прикладной газотермодинамике, вып. 116. Рига: РИИ ГА, 1967. С. 30-93.

66. Барабанов Е.В. Современные методы расчета газовых эжекторов // Научно-технический сб. трудов по прикладной газотермодинамике, вып. 129. Рига: РИИ ГА, 1968. С. 37-77.

67. Бонни Е.А., Цурков М.Д., Буссенар К.У. Аэродинамика, теория реактивных двигателей, конструкции и практика проектирования. М.: Воен. изд. Мин. обороны СССР, 1959. 730 с.

68. Курзинер Р.И. Реактивные двигатели для больших сверхзвуковых скоростей полета. М.: Машиностроение, 1977. 212 с.

69. Баев В.К., Долматов В.Л., Потапкин А.В. Экспериментальное изучение влияния геометрии камеры сгорания на силовые характеристики при работе на водороде. Отчет N 30/98. Новосибирск: ИТПМ СО РАН, 1998.38 с.

70. Долматов В.Л., Потапкин А.В., Трубицын А.И. Экспериментальные исследования тяговых характеристик прямоточной эжекторной камеры сгорания при вибрационном горении водорода // Физика горения и взрыва. 2004. Т. 40, №3. С. 9-13.

71. Москвичев Д.Ю., Потапкин A.B., Трубицин А.И. Экспериментальные исследования влияния акустического резонатора на тяговые характеристики прямоточной камеры сгорания при вибрационном горении водорода. Отчет N52/99. Новосибирск: ИТПМ СО РАН, 1999.37 с.

72. Баев В.К. Москвичев Д.Ю., Потапкин А.В. Управление тяговыми характеристиками прямоточной камеры сгорания пульсирующего горения с помощью акустических резонаторов // Физика горения и взрыва. 2000. Т. 36, №5. С.3-6.

73. Москвичев Д.Ю., Потапкин А.В., Трубицин А.И. Экспериментальные исследования влияния акустического резонатора на тяговые характеристики прямоточной камеры сгорания при вибрационном горении водорода. Отчет N52/99. Новосибирск: ИТПМ СО РАН, 1999.37 с.

74. Москвичев Д.Ю., Потапкин А.В., Трубицин А.И. Интегральные тяговые характеристики прямоточной камеры сгорания при вибрационном режиме горения водорода в областях акустического гистерезиса. Отчет N5/2000. Новосибирск: ИТПМ СО РАН, 1999. 20 с.

75. Bardakhanov S.P. Potapkin A.V. Hysteresis regimes in fuel burning processing // Proceedings the third Russion-Korean Int. Symp. on Science and Technology, Korus-99. Vol. 1. Novosibirsk, 1999. P. 46-49.

76. Bardakhanov S.P. Potapkin A.V. Hysteresis regimes in the processes of vibrational burning of fuel // Proceedings the third Russion-Korean International Symposium on Science and Technology, Korus-99. Vol. 1. Novosibirsk, 1999. P. 50-56.

77. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Наука, 1973. 847 с.

78. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Гидродинамика. М.: Наука, 1988. 733 с.