Снижение шума блочной сверхзвуковой струи с возможным догоранием топлива при помощи инжекции воды тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.05, кандидат наук Бакулев Владимир Леонидович

• Бакулев Владимир Леонидович
• кандидат наук
• 2016

Оглавление диссертации кандидат наук Бакулев Владимир Леонидович

Введение

1 Шум сверхзвуковых струй и способы его снижения

1.1 Структура сверхзвуковых турбулентных струй

1.2 Акустика струйных течений

1.3 Источники шума сверхзвуковой струи

1.3.1 Шум смешения

1.3.2 Широкополосный ударно-волновой шум

1.3.3 Дискретный тон

1.4 Способы снижения шума реактивных струй

1.4.1 Изменение формы кромки сопла

1.4.2 Вдув коаксиального потока

1.4.3 Акустическое воздействие

1.4.4 Вдув микроструй воздуха

1.5 Снижение акустических нагрузок с помощью инжекции воды

1.6 Выводы главы

2 Экспериментальная установка и методика обработки результатов

2.1 Экспериментальная установка

2.2 Двигательная установка

2.3 Система измерений

2.4 Система видеорегистрации

2.5 Программа испытаний

2.6 Методика обработки результатов акустических измерений

2.6.1 Общий уровень звукового давления

2.6.2 Спектральный анализ

2.7 Методика численного моделирования

2.8 Выводы главы

3 Результаты экспериментов

3.1 Общий уровень звукового давления

3.1.1 Испытания №1 и №2 («сухие» испытания)

3.1.2 Испытание №3 (с инжекцией воды под углом 0°)

3.1.3 Испытание №4 (с инжекцией воды под углом 60°)

3.2 Спектральный анализ

3.2.1 Локальный спектр акустической энергии

3.2.2 Глобальный спектр акустической энергии

3.3 Сравнение результатов

3.4 Выводы главы

4 Генерация дискретного тона

4.1 Анализ экспериментальных данных

4.2 Модель генерации дискретного тона

4.3 Выводы главы

Заключение

Список литературы

^исок сокращений и условных обозначений

Латинские буквы

с

Са

Ср

Ва И* /

к

Ма — Уа/са

Мс

п = = Ра/Р<

Р

Ро

Ра

Р<

г Я

Яе — руаОа/ц в

— скорость звука;

— скорость звука в окружающей среде;

— скорость звука в выходном сечении сопла;

— удельная теплоемкость при постоянном давлении;

— диаметр выходного сечения сопла;

— диаметр критического сечения сопла;

— частота;

— частота дискретизации сигнала;

— коэффициент теплопроводности;

— общий уровень звукового давления;

— число Маха в выходном сечении сопла;

— конвективное число Маха;

— нерасчетность струи;

— давление;

— давление в камере сгорания;

— давление в выходном сечении сопла;

— давление в окружающем пространстве;

— расстояние до выходного сечения сопла;

— газовая постоянная;

— число Рейнольдса;

— масштаб вейвлетного преобразования;

^ =

Тс Тп

ъ

00

т

г

№

— энтропия;

— число Струхаля;

— температура торможения;

— температура в выходном сечении сопла;

— температура в окружающем пространстве;

— тензор напряжений Лайтхилла;

— время;

— скорость истечения струи;

— скорость конвекции вихрей;

— компонента скорости;

— вейвлет-преобразование;

— акустическая мощность струи.

Греческие буквы

7 — показатель адиабаты;

— символ Кронекера;

О — угол относительно оси струи;

р — плотность;

Ту — тензор вязких напряжений;

фс — материнская вейвлетная функция.

Сокращения

ОУЗД — общий уровень звукового давления;

РДТТ — ракетный двигатель на твердом топливе;

РКН — ракета космического назначения.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Снижение шума блочной сверхзвуковой струи с возможным догоранием топлива при помощи инжекции воды»

Введение

Задачи по изучению космоса требуют непрерывного увеличения мощности двигательных установок ракет космического назначения (РКН), что неизбежно приводит к росту аэродинамического шума. Акустическое поле, генерируемое РКН во время старта, вызывает сильные виброакустические напряжения как на корпусе ракеты, так и на стартовых сооружениях, что может привести к их усталостному разрушению. Также серьезную опасность вызывает факт совпадения частотного спектра акустического излучения струи со спектром собственных частот агрегатов и приборов РКН, что может привести к резонансу.

Во многих случаях уровни акустических нагрузок на РКН невозможно спрогнозировать и они могут быть выявлены только в ходе натурной отработки. Это связано с необходимостью учета не только усредненных газодинамических, но и пульсационных параметров течения. Другими словами, для описания акустического поля, создаваемого РКН во время старта и, в частности, сверхзвуковой струей, необходимо решить полные уравнения Навье-Стокса. Численная реализация связана с необходимостью очень подробного пространственного и временного разрешения, что требует огромных вычислительных ресурсов, которые не будут доступны в ближайшем будущем. Поэтому единственным возможным вариантом оценки интенсивности акустического излучения, а также способов управления акустическим полем, является эксперимент. Однако проведение исследований на натурных объектах связано с огромными техническими и экономическими затратами, в связи с чем испытания, как правило, проводятся на масштабных экспериментальных установках.

Для радиоэлектронной и микроэлектронной аппаратуры в головной части РКН, в том числе полезного груза, опасным считается общий уровень акустического давления выше 140 дБ. Основной причиной отказа аппаратуры при действии акустического шума является возбуждение недопустимо больших вибраций, передающихся по конструкции от работающей двигательной установки, а также возникающих в результате взаимодействия акустического поля газовой струи с корпусом РКН. Эти факторы приводят к жестким ограничениям на допустимые акустические нагрузки, и, как следствие, к требованиям их снижения. В настоящее время проблема снижения акустического воздействия на экипаж РКН является одной из главных проблем пилотируемых полетов.

Исследования методов снижения акустического шума сверхзвуковых струй, главным образом, связаны с задачами авиации. Связано это с природоохранным законодательством, которое регламентируется нормативными требованиями Приложения 16 Стандарта международной организации гражданской авиации (ИКАО). Таким образом, методы снижения шума, разработанные для авиации, в первую очередь решали задачу уменьшения воздействия именно на окружающую среду, и только потом на сам корпус самолета. В связи с чем многие авиационные методы не пригодны для ракетной техники, где главной задачей является снижение акустического воздействия на головную часть РКН, т. е. шума, излучающегося в направлении вверх по течению.

Снижение акустических нагрузок на РКН может быть реализовано путем применения так называемых пассивных методов, которые уменьшают интенсивность уже образовавшегося шума, и в частности применением звукопоглощающих материалов. Такое решение повлечет за собой увеличение массы головного отсека, и как следствие снижение энергомассового совершенства РКН, что для защиты от кратковременного процесса является нецелесообразным. Поэтому оптимальным решением задачи признаны методы, которые не вносят изменений в конструкцию РКН, и предполагают расположение дополнительного оборудования на стартовой площадке. В экспериментальном направлении за последнее

время все большее значение приобретают вопросы снижения акустического излучения высокоскоростных реактивных струй с помощью инжекции воды в слой смешения, которому посвящена представленная работа.

Несмотря на достаточно большую историю развития данного метода, ввиду того, что большинство исследований выполнено экспериментально на мелкомасштабных установках с использованием одиночных струй, а также из-за отсутствия расчетных моделей сложно прогнозировать его эффективность при изменении конфигурации сопел. Так, РКН тяжелого и сверхтяжелого классов имеют, как правило, блочную компоновку сопел двигательных установок первой ступени, что приводит к изменению характера генерации акустического поля по сравнению с односопловыми двигательными установками. Исследования особенностей излучения шума блочных сверхзвуковых струй крайне ограничены и имеют в основном экспериментальный характер. Так же современные реактивные двигатели преимущественно работают при коэффициенте избытка окислителя меньше единицы. В связи с тем, что в соплах происходит постепенное охлаждение продуктов горения, состав продуктов горения постепенно замораживается. Это приводит к тому, что в выхлопной струе может произойти догорание выхлопных газов из-за взаимодействия с атмосферным кислородом, что существенно изменяет газодинамические параметры в струе. Источники шума сверхзвуковых струй, вызванные физико-химическими процессами и, в частности, догоранием топлива, в настоящее время практически не изучены.

Таким образом, решение задач по снижению акустических нагрузок при старте РКН требует разработки новых технических систем для стартовых комплексов. Это делает актуальным исследование снижения акустического шума блочной сверхзвуковой струи с возможным догоранием топлива в направлении вверх по течению при помощи инжекции воды в слой смешения.

Объектом исследования является блочная сверхзвуковая струя, а предметом исследования — акустический шум блочной сверхзвуковой струи с возможным догоранием топлива, излучающийся в направлении вверх по течению.

Целью исследования является снижение акустического шума блочной сверхзвуковой струи с возможным догоранием топлива, излучающегося в направлении вверх по течению, при помощи инжекции воды в слой смешения.

Поставленная цель достигается решением следующих задач:

1. Разработка методики проведения экспериментального исследования влияния инжекции воды в слой смешения блочной сверхзвуковой струи на акустический шум, излучающийся в направлении вверх по течению;

2. Разработка методики обработки результатов акустических измерений, позволяющей анализировать динамику акустического излучения в зависимости от изменения параметров струи;

3. Экспериментальное исследование влияния геометрических характеристик инжекции воды на акустическое поле блочной сверхзвуковой струи, излучающееся в направлении вверх по течению;

4. Экспериментальное определение источников шума блочных сверхзвуковых струй, связанных с догоранием топлива в слое смешения, разработка математической модели излучения и определение влияния инжекции воды на акустическое излучение этих источников.

Научная новизна работы. Основной научный результат диссертационной работы заключается в разработке нового научно-методического обеспечения, позволяющего снизить акустический шум блочной сверхзвуковой струи с возможным догоранием топлива, излучающийся в направлении вверх по течению, при помощи инжекции воды в слой смешения:

1. Разработана методика проведения испытаний, которая позволила определить оптимальные с точки зрения снижения шума углы инжекции воды в слой смешения сверхзвуковой блочной струи. Установлено, что инжекция воды под углом 60° относительно оси струи более эффективна в присопло-вой зоне модели РКН, тогда как в головной части наибольшее снижение

интенсивности акустического излучения наблюдалось при инжекции воды параллельно оси струи;

2. Впервые детально исследовано акустическое поле блочных сверхзвуковых струй с догоранием топлива. Установлено, что догорание топлива может привести к значительному увеличению интенсивности акустического излучения за счет генерации дискретного тона;

3. Впервые разработана математическая модель генерации дискретного тона блочной сверхзвуковой струей с догоранием топлива.

Научная и практическая значимость. Научная значимость заключается в развитии теории акустического излучения сверхзвуковыми струями. Результаты исследования могут быть использованы при проектировании систем снижения акустических нагрузок для стартовых комплексов перспективных РКН тяжелого и сверхтяжелого классов.

Достоверность полученных результатов обеспечивается корректностью поставленных экспериментов с наличием дублирующих систем измерения, корректностью применяемых методов и средств обработки результатов экспериментов, а также качественным совпадением с результатами аналогичных исследований других авторов.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Результаты экспериментального исследования снижения акустического шума блочной сверхзвуковой струи, излучающегося в направлении вверх по течению, при помощи инжекции воды в слой смешения;

2. Результаты экспериментального исследования особенностей акустического поля блочной сверхзвуковой струи с догоранием топлива;

3. Математическая модель генерации дискретного тона блочной сверхзвуковой струей с догоранием топлива.

Экспериментальные данные, используемые в работе, помимо автора получены сотрудниками АО «КБСМ» А. М. Воробьевым, А. Т. Макавеевым, А. Б. Кузнецовым и сотрудниками филиала ФГУП «ЦЭНКИ» — НИИСК А. Б. Бутом, Т. О. Абдурашидовым.

Апробация работы. Результаты исследования докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях и семинарах:

1. Международная конференция по механике «Шестые Поляховские чтения» (Санкт-Петербург, 2012 г.);

2. III научно-техническая конференция молодых ученых и специалистов «Старт в будущее» (Санкт-Петербург, 2013 г.);

3. Научно-технический семинар по вопросам разработки и создания системы эксплуатации космодрома «Восточный» (Санкт-Петербург, 2013г.);

4. Молодежная конференция «Новые материалы и технологии в ракетно-космической и авиационной технике» (Звездный городок, 2013г.);

5. Х международная научно-техническая конференция «Технические средства противодействия террористическим и криминальным взрывам» (Санкт-Петербург, 2014 г.);

6. Международная научно-практическая конференция «Безопасность космических полетов» (Санкт-Петербург, 2014 г.);

7. Всероссийская научная конференция «Проблемы газовой и волновой динамики и ракетной техники» (Москва, 2014 г.);

9. X всероссийская научно-практическая конференция «Проблемы обеспечения взрывобезопасности и противодействие терроризму» (Санкт-Петербург, 2015 г.);

10. Общероссийская научно-техническая конференция «Седьмые Уткинские чтения» (Санкт-Петербург, 2015 г.).

Результаты также докладывались на научных семинарах кафедры гидроаэромеханики Санкт-Петербургского государственного университета.

Публикации. Основные результаты по теме диссертации изложены в 9 печатных изданиях [1-9], 3 из которых изданы в журналах, рекомендованных ВАК [1-3].

В работе [2] Воробьеву А. М. принадлежит общее руководство над экспериментальным исследованием; Макавееву А. Т. и Кузнецову А. Б. принадлежит разработка экспериментальной и двигательной установок; Абдурашидову Т. О. и Буту А. Б. принадлежит разработка системы измерения; автором разработана методика проведения испытаний, методика обработки результатов акустических измерений и анализ результатов.

В работе [3] Воробьеву А. М. принадлежит общее руководство над экспериментальным исследованием; автору принадлежит разработка методики проведения спектрального анализа на основе вейвлетного преобразования, анализ результатов испытаний и разработка математической модели генерации дискретного тона.

В работе [4] Воробьеву А. М. и Долбенкову В. Г. принадлежит идея исследования и постановка задачи; Макавееву А. Т. и Кузнецову А. Б. принадлежит разработка проектов систем гашения шума при старте РКН; автору принадлежит обоснование предложенных проектов.

экспериментального стенда; автору принадлежит анализ современного состояния проблемы и обоснование предложенных моделей.

В работе [8] Кузнецову А. Б. принадлежит разработка двигательной установки и расчет внутребаллистических характеристик в камере сгорания; автору принадлежит анализ результатов испытаний и разработка математической модели генерации дискретного тона блочной сверхзвуковой струей с догоранием топлива.

Реализация и внедрение результатов исследования. Основные результаты и выводы, представленные в диссертации, использованы в производственной деятельности АО «КБСМ» при проектировании наземного оборудования ракетно-космических систем (см. Приложение А).

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения. Полный объем диссертации составляет 123 страницы с 45 рисунками и 4 таблицами. Список литературы содержит 113 наименований.

В главе 1 рассмотрены структуры одиночных и блочных сверхзвуковых струй, даны общие представления об акустическом излучении струйных течений и проведены описания источников шума в сверхзвуковой струе. Также анализируются способы снижения шума реактивных струй и, в частности, снижение шума с помощью инжекции воды в слой смешения.

В главе 2 проводится описание экспериментальной установки, модельного двигателя, систем измерений и видеорегистрации, методики проведения испытаний, а также методики анализа акустических сигналов на основе вейвлетного преобразования и методики численного моделирования.

В главе 3 представлены результаты испытаний по исследованию влияния инжекции воды в слой смешения блочной сверхзвуковой струи на акустический шум, излучающийся в направлении вверх по течению. Проводится анализ общих уровней звукового давления, спектральный анализ акустического поля и сравнение результатов испытаний.

В главе 4 описывается модель генерации дискретного тона блочной сверхзвуковой струей, вызванное догоранием топлива.

Благодарности. Автор выражает глубокую признательность доктору техни-

, кото-

ческих наук, профессору, заслуженному деятелю науки РФ Ускову В. Н.

рый был научным руководителем в начале работы над диссертацией, и доктору физико-математических наук, профессору Матвееву С. К., с которым эта работа была продолжена. Автор благодарен коллективу расчетно-исследовательского отделения АО «КБСМ», и лично заместителю генерального конструктора по науке, доктору технических наук, профессору, заслуженному машиностроителю РФ Воробьеву А. М., за организацию экспериментальных исследований.

Глава 1

Шум сверхзвуковых струй и способы его снижения

1.1 Структура сверхзвуковых турбулентных струй

Сверхзвуковая турбулентная струя представляет сложный газодинамический объект, включающий в себя ударно-волновую конфигурацию, различные виды неустойчивости и физико-химические процессы.

Основным параметром, определяющим характер истечения струи, является нерасчетность п = ра/рж, где ра — давление в выходном сечении сопла, а рж — давление в окружающем пространстве. Разделяют следующие режимы истечения: расчетный, когда ра = рж (п = 1), который также называют изобарическим, и нерасчетный (неизобарический), когда ра = рж (п = 1). Нерасчетные режимы истечения в свою очередь делят на режим недорасширения, когда давление на срезе сопла больше давления окружающей среды (п > 1), и перерасширения, когда давление на срезе сопла меньше давления окружающей среды (п < 1).

расширения на кромке сопла образуются волны разряжения (рисунок 1.^), а на режиме перерасширения скачки уплотнения (рисунок 1.1 б). На рисунке 1.2 представлены шлирен-фотографии осесимметричных струй на различных режимах истечения [10]. Первым эти явления наблюдал Людвиг Прандтль [11].

а) Недорасширенная струя ра < р^

-скачок уплотнения

-звуковая линия

б) Перерасширенная струя ра > рж Рисунок 1.1: Схема течения в нерасчетной сверхзвуковой струе

Из приведенных схем видно, ударно-волновая структура имеет периодичный характер. Каждый такой «период» в газодинамике принято называть «бочкой». Выравнивание статических давлений главным образом происходят в первой боч-

ке, поэтому интенсивность ударно-волновых процессов здесь максимальна и уже в следующей «бочке» она заметно снижается.

Рисунок 1.2: Режимы истечения осесимметричной сверхзвуковой струи [10]

Также важным параметром является степень неизотермичности т = Та/Тж, где Та — температура в выходном сечении сопла, а Тж — температура в окружающем пространстве. Если т = 1, то струю называют изотермичной, а если т = 1, то неизотермичной.

При истечении струи из сопла между струей и окружающей средой образуется поверхность, на которой терпят разрыв скорость, температура, плотность и концентрация, тогда как распределение статического давления остается постоянным. Эта поверхность, которую так же называют поверхностью тангенциального разрыва, вследствие ее неустойчивости, постепенно размывается. Это приводит к появлению в зоне тангенциального разрыва турбулентных пульсаций, которые вызывают перенос импульса, тепла и концентрации между соседними слоями газа, что приводит к формированию области конечной толщины с непрерывным распределением этих параметров.

Турбулентный слой смешения постепенно расширяется и после того, как это расширение достигло оси струи (область струи, ограниченная слоем смешения, иногда называют потенциальным ядром струи), турбулентное перемешивание происходит по всему объему струи, параметры которой по мере удаления от сопла приближаются к параметрам окружающей среды. На больших расстояниях от выходного сечения сопла его конфигурация и размеры перестают влиять на распределение газодинамических параметров в струе. Таким образом, на этом участке течение можно считать автомодельным.

А В С

А В С

Рисунок 1.3: Характерные участки сверхзвуковой турбулентной струи

В конечном итоге сверхзвуковую струю можно разделить на 4 участка (рисунок 1.3). Первый участок от среза сопла (сечение «а — а») до конца первой «бочки» (сечение «А — А»). Здесь определяющим является ударно-волновая конфигурация, которая уравнивает статические давления в струе и в окружающем пространстве. Второй участок, от конца первой «бочки» (сечение «А — А») до конца потенциального ядра струи (сечение «В — B»), называют начальным. Здесь турбулентный слой смешения не влияет на параметры на оси струи. Третий участок называется переходным и располагается между сечениями «В — В» и «С — С». В нем турбулентное перемешивание происходит по всему объему

струи, но при этом течение не является автомодельным. Четвертый участок — основной. В нем течение автомодельное и подчиняется законам, характерным для точечного источника. На этом участке параметры потока постепенно становятся равными параметрам в окружающей среде.

Некоторые инженерные особенности требуют использовать блочные струи. Взаимодействие блочных струй можно разделить на три основных типа:

1. Недорасширенные струи, которые сгруппированы достаточно плотно. В результате струи начинают взаимодействовать уже первыми «бочками», что изменяет ударно-волновую конфигурацию каждой струи и в результате образует новую, более сложную ударно-волновую структуру.

2. Вторая группа включает струи, которые расположены достаточно далеко друг от друга, и не взаимодействуют ударно-волновыми структурами, а только турбулентными слоями смешения.

3. К третьей группе относятся те блочные струи, которые не взаимодействуют ударно-волновыми структурами, но расположены достаточно близко друг к

т-ч V-/ V-/

другу. В результате эжектирующего действия струи в межструйном пространстве образуется область низкого давления, в результате струи «слипаются», что ведет к изменению газодинамических параметров в струе.

На рисунке 1.4 представлены шлирен-фотографии некоторых компоновок блочных струй на различных режимах истечения [10].

В реальных сверхзвуковых струях, полученные двигательными установками в результате сжигания топлива, помимо всех вышеперечисленных газодинамических объектов также могут проходить и физико-химические процессы. В связи с тем, что струя может содержать недоокисленные компоненты топлива, в слое смешения может происходить их догорание в воздухе, который заносится сюда турбулентными вихрями из окружающей среды [12]. Догорание может происходить как с самого начала работы двигательной установки, так и с некоторой задержкой. На это влияет множество факторов: состав топлива, температура горения, параметры окружающей среды и т. д. В результате сильно повышается

*

^^^^ «Ш*

Четырехсопловая агруя (режим перера>: шцрения)

Двухсспловая струя < режим перерасширения

Двухсопловая струя Двух сопловая струя

(режим недорасширения) (режим взаимодействия)

Рисунок 1.4: Режимы истечения блочной сверхзвуковой струи [10]

температура струи. Исследования в этой области крайне ограничены и, ввиду сложности данного процесса, имеют в основном экспериментальный характер.

1.2 Акустика струйных течений

Аэроакустика, раздел физики об аэродинамических источниках шума, явля-

и V ^ V/ "Г~Ч

ется относительно молодой и чрезвычайно сложной наукой. Впервые вопросы образования шума движущейся жидкостью изучил Рэлей [13], однако лишь с появлением авиации, которая стала стремительно развиваться, возник реальный интерес к вопросам излучения шума летательными аппаратами. На начальном этапе серьезный вклад внесли Л. Я. Гутин [14], который первым получил аналитическое выражения для определения уровня акустического излучения воздушного винта в дальнем поле, и Е. Я. Юдин [15], который вывел «закон шестой степени» для шума вихревого происхождения при обтекании твердого тела. Далее серьезным шагом была работа Д. И. Блохинцева [16], в которой впервые изложены теоретические основы акустики движущейся среды.

В начале второй половины ХХ века появились пионерские работы Дж. Лайт-хилла [17,18], которые привели к созданию акустической аналогии. Основная идея предложенной аналогии заключается в том, что турбулентное движение

сжимаемой среды физически содержит условия, необходимые для генерации звука, а уравнения Навье-Стокса могут быть преобразованы в неоднородное волновое уравнение

д^р _ (;2 СЪ = , (1.1)

д12 2 дх2 дхгдхз'

Тгз = рущ _ тгз + (р _ рс2ж)8гз, (1.2)

где р — плотность, с2 — скорость звука в окружающей среде и Т13 — тензор напряжения Лайтхилла, в котором V^ — компонента скорости, р — давление, т^ — тензор вязких напряжений, — символ Кронекера. Лайтхилл выдвинул идею, что если левая часть волнового уравнения описывает распространение акустической волны в покоящемся пространстве, то правая сторона должна представлять источники акустического поля, которые имеют квадрупольный вид. Главным моментом в этой теории является то, что правая часть уравнения считается известной и может быть определена из некоторых дополнительных наблюдений, тогда как в реальности определение этого члена равносильно решению уравнений Навье-Стокса. Первый член тензора Лайтхилла характеризует вклад в генерацию акустического поля напряжений Рейнольдса, второй — вязких напряжений, а третий отвечает за диссипацию. Полагая термодинамические процессы при распространении количества движения изоэнтропическими (пренебрегая тем самым диссипативным членом в тензоре Лайтхилла), компоненты тензора вязких напряжений малыми по сравнению с напряжениями Рейнольдса, а плотность потока равной плотности окружающей среды, то для дозвуковых потоков с точностью до квадрата числа Маха М2 [19] тензор Лайтхилла можно записать в виде Т^ = ру¡V3. На основе этих предположений был установлен знаменитый «закон восьмой степени»

Ж - Р Vз8 С225 Иа,

(1.3)

который гласит, что акустическая мощность дозвуковых струй пропорциональна скорости истечения струи ^ в восьмой степени (Иа — диаметр выходного сечения сопла). Спустя некоторое время Н. Керл [20] расширил акустическую аналогия Лайтхилла на случай генерации акустического поля турбулентным потоком в присутствии жестких границ.

Хотя работа Лайтхилла была впечатляющей по своим масштабам, она требовала серьезных допущений. В частности, представленная теория не учитывает взаимодействие образовавшегося звука с потоком (эффекты рефракции и рассеивания звука, а также конвекции звука в неоднородном потоке), что при увеличении чисел Маха М приводит к неверным результатам [21]. Также для неизотермических турбулентных потоков к дополнению к квадрупольным источникам шума необходимо рассматривать дополнительные источники шума вследствие изменение температуры потока или плотности движущейся среды [22,23].

Рисунок 1.5: Акустическое излучение неподвижного турбулентного вихря (слева) и движущегося со скоростью ус (справа)

Еще одно допущение вышеописанной теории заключается в том, что она содержит только стационарные источники. Так как турбулентные структуры, которые с точки зрения источников акустического излучения представляют из себя квадруполи, переносятся вниз по течению с конвективной скоростью ус, то возникает доплеровский сдвиг. Разница между акустическими излучениями неподвижного и подвижного турбулентных вихрей схематично изображена на рисун-

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Бакулев Владимир Леонидович, 2016 год

Список литературы

1. Бакулев В. Л. Применение вейвлетного анализа в исследовании особенностей акустического излучения сверхзвуковой струи // Известия РАРАН. — 2014. — № 4. — С. 41-45.

2. Problem of intensity reduction of acoustic fields generated by gas-dynamic jets of motors of the rocket-launch vehicles at launch / A. M. Vorobyov, T. O. Ab-durashidov, V. L. Bakulev et al. // Acta Astronautica. — 2015. — Vol. 109. — Pp. 264-268.

3. Бакулев В. Л., Воробьев А. М. Снижение шума блочной сверхзвуковой струи с помощью впрыска воды // Вестник СПбГУ. Серия 1: Математика, механика, астрономия. — 2015. — Т. 2 (60), № 3. — С. 428-438.

4. Системы гашения акустических волн при старте тяжелых РКН / В. Л. Бакулев, А. М. Воробьев, В. Г. Долбенков и др. // Труды молодежной конференции «Новые материалы и технологии в ракетно-космической и авиационной технике». Звездный городок. — 2013. — С. 101-110.

5. Методология экспериментального исследования процессов, сопровождающих возможные аварии при старте ракетно-космического носителя и других взрывоопасных изделий / А. М. Воробьев, В. Л. Бакулев, В. Г. Долбен-ков, А. Т. Макавеев // Вопросы оборонной техники. Серия 16: Технические средства противодействия терроризму. — 2014. — № 9-10. — С. 39-44.

6. Бакулев В. Л. Особенности экспериментального исследования снижения шума сверхзвуковой струи // Седьмые Поляховские чтения: Тезисы докладов Международной конференции по механике. Санкт-Петербург. — 2015. - С. 75.

7. Bakulev V. Features of experimental research of supersonic jet noise reduction //

International Conference of Mechanics - Seventh Polyakhov 's Readings. Saint Petersburg, Russia. — 2015. — Pp. 1-3.

8. Бакулев В. Л., Кузнецов А. Б. Акустическое поле блочной сверхзвуковой струи с догоранием топлива // Сборник трудов X всероссийской научно-практической конференции «Проблемы обеспечения взрывобезопасности и противодействие терроризму». Санкт-Петербург. — 2015. — С. 15-22.

9. Бакулев В. Л. Влияние догорания топлива на акустическое излучение блочных сверхзвуковых струй // Сборник трудов общероссийской научно-технической конференции «Седьмые Уткинские чтения». Санкт-Петербург. — 2015. — С. 80-84.

10. Акимов Г. А. Научно-педагогическая школа кафедры аэрогазодинамики и динамики полета / Г.А. Акимов; под ред. В.Н. Ускова. — СПб., 2012. — 220 с.

11. Prandtl L. Stationary waves in a gaseous jet // Phys. Z. 5. — 1904. — P. 599-601.

12. Щетников Е. С. Физика горения газов. — М.: Наука, 1965. — 739 с.

13. Рэлей. Теория звука. — М.: ГИТТЛ, 1940. — 500 с.

14. Гутин Л. Я. О звуковом поле вращающегося винта // ЖТФ. — 1936. — Т. 6, № 6. — С. 899-909.

15. Юдин Е. Я. О вихревом шуме вращающихся стержней // ЖТФ. — 1944. — Т. 14, № 9. — С. 561-567.

16. Блохинцев Д. И. Акустика неоднородной движущейся среды. — М.: Наука, 1981. — 206 с.

17. Lighthill M. J. On sound generated aerodynamically. Part I. General theory // Proc. Roy. Soc., Ser. A. — 1952. — no. 211. — Pp. 564-587.

18. Lighthill M. J. On sound generated aerodynamically. Part II. Turbulence as a source of sound // Proc. Roy. Soc., Ser. A. — 1954. — no. 222. — Pp. 1-32.

19. Петровский В. С. Нестационарные задачи гидроакустики. — Л.: Судостроение, 1988. — 264 с.

20. Curle N. The influence of solid boundaries upon aerodynamic sound // Proc. Roy. Soc., Ser. A. — 1962. — no. 211. — Pp. 564-587.

21. Мунин А. Г. Авиационная акустика. В 2-х ч. Ч.1. — М.: Машиностроение, 1986. — 243 с.

22. Кузнецов В. М. Основы теории шума турбулентных струй. — М.: ФИЗМАТ-ЛИТ, 2008. — 239 с.

23. Кузнецов В. М. Идентификация источников шума турбулентной струи // Акустический журнал. — 2012. — Т. 58, № 4. — С. 498-508.

24. Ffowcs-Williams J. E. The noise from turbulence convected at high speed // Phil Trans R Soc. A. — 1963. — no. 255. — P. 469.

25. RibnerH. S. Quadrupole correlations governing the pattern of jet noise // Journal of Fluid Mechanics. — 1969. — Vol. 38, no. 1. — Pp. 1-24.

26. Pao S. P. Developments of a generalized theory of jet noise // AIAA Journal. — 1972. — Vol. 10, no. 5. — Pp. 596-602.

28. Phillips O. M. On the generation of sound by supersonic turbulent shear layers // J. Fluid Mech. — 1960. - Vol. 1, no. 9. - P. 1-28.

29. Doak P. E. Analysis of internally generated sound in continuous materials: critical review of the conceptual adequacy and physical scope of existing theories of aerodynamic noise, with special reference to supersonic jet noise // Journal of Sound and Vibration. — 1972. — Vol. 25, no. 2. — Pp. 263-335.

30. Morgan W. V., Sutherland L. C., Young K. J.The use of acoustic scale models for investigating near field noise of jet and rocket engines // WADD Technical Report 61-178, Wright-Patterson Air Force Base, Ohio. — 1961.

31. Kinzie K. W., McLaughlin D. K. Measurements of supersonic heliud air mixture jets // AIAA Journal. — 1999. — Vol. 36, no. 11. — Pp. 1363-1369.

32. Kandula M., Vu B. On the scaling laws for jet noise in subsonic and supersonic flow // AIAA Paper. — May 2003. — Pp. 2004-2976.

33. Kandula M. On the scaling laws and similarity spectra for jet noise in subsonic and supersonic flow // International Journal of Acoustics and Vibration. — 2008.

— Vol. 13, no. 1. — Pp. 3-16.

34. Varnier J. Experimental study and simulation of rocket engine free jet noise // AIAA Journal. — 2001. — Vol. 39, no. 10. — Pp. 1851-1859.

35. Fisher M.J., Lush P.A., Harper-Brown M. Jet noise // Journal of Sound and Vibration. — 1973. — Vol. 28, no. 3. — Pp. 563-585.

36. Narayanan S., Barber T. J., Polak D .R. High subsonic jet experiments: Turbulence and noise generation studies // AIAA Journal. — 2002. — Vol. 40, no. 3.

— P. 433.

37. Baars W. J., Charles E. T. The effect of heat on turbulent mixing noise in supersonic jets // AIAA Paper. — 2011-1029. — Pp. 1-14.

38. Alkislar M. B, Krothapalli A., M. Lourenco L. Structure of a screeching rectangular jet: a stereoscopic particle image velocimetry study // Journal of Fluid Mechanics. — 2003. — Vol. 489. — Pp. 121-154.

39. Газодинамика стартовых комплексов / Г. П. Бирюков, А. Б. Бут, В. А. Хоту-лев, А. С. Фадеев. — М.: РЕСТАРТ, 2012. — 364 с.

40. C. Tam. Supersonic jet noise // Annu. Rev. Fluid Mech. — 1995. — Vol. 27. — Pp. 17-43.

41. Tam C. K. W., Chen P., Seiner J. M. Relationship between the instability waves and noise of high-speed jets // AIAA Journal. — 1992. — Vol. 7, no. 30. — P. 1747-1752.

42. Parthasarathy S. P., Massier P. E. Mach wave emission from supersonic jets // AIAA Journal. — 1997. — Vol. 15, no. 10. — Pp. 1462-1468.

43. Harper-Bourne M., Fisher M. The noise from shock waves in supersonic jets. // AGARD CP. — 1973. — Vol. 2, no. 131. — P. 1-13.

44. Pao S. P., Seiner J. M. Shock-associated noise in supersonic jets // AIAA Journal.

— 1983. — Vol. 21, no. 5. — Pp. 687-693.

45. Norum T. D., Seiner J. M. Broadband shock noise from supersonic jets // AIAA Journal. — 1982. — Vol. 20, no. 1. — Pp. 68-73.

46. Kandula M. A theoretical basis for the scaling law of broadband shock noise intensity in supersonic jet // Advances in Acoustics and Vibration. — 2011. — Pp. 1-9.

47. Powell A. On the mechanism of choked jet noise // Proc. Phys. Soc. B. — 1953.

— no. 66(12). — Pp. 1039-1056.

48. Powell A. On the noise emanating from a two-dimensional jet above the critical pressure // Aeronautical Quarterly. — 1953. — Vol. 4. — Pp. 103-122.

49. Davies M. G., Oldfield D. E. S. Tones from a choked axisymmetric jet. I. Cell structure, eddy velocity and source locations // Acustica. — 1962. — Vol. 12, no. 4. — Pp. 257-266.

50. Davies M. G., Oldfield D. E. S. Tones from a choked axisymmetric jet. II. The self exited loop and mode of oscillation // Acustica. — 1962. — Vol. 12, no. 4.

— Pp. 267-277.

51. Krothapalli A., Hsia Y. Baganoff D., Karamcheti K. The role of screech tones in mixing of an underexpanded rectangular jet // Journal of Sound and Vibration.

— 1986. — Vol. 106, no. 1. — P. 119-143.

52. Mclaughlin D. K., Morrison G. L., Troutt T. R. Experiments on the instability waves in a supersonic jet and their acoustic radiation // Journal of Fluid Mechanics. — 1975. — Vol. 69, no. 1. — P. 73-95.

53. Nagel R. T., Denham J. W., Papathanasiou A. G. Supersonic jet screech tone cancellation // AIAA Journal. — 1975. — Vol. 21, no. 5. — P. 1541-1545.

54. Norum T. D. Screech suppression in supersonic jets // AIAA Journal. — 1983. — Vol. 21, no. 2. — P. 235-240.

55. Seiner J. M. Screech suppression in supersonic jets // AIAA Journal. — 1983. — Vol. 21, no. 2. — P. 235-240.

56. Seiner J. M., Norum T. D. Experiments of shock associated noise of supersonic jets // AIAA Paper. — 1979. — no. 1979-1526. — P. 1-14.

57. Tam C., Tanna H. Shock associated noise of supersonic jets from convergent-divergent nozzles // Journal of Sound and Vibration. — 1979. — Vol. 81, no. 3.

— P. 337-358.

58. Westley R., Woolley J. H. The near field sound pressures of a choked jet when oscillating in the spinning mode // AIAA Paper. — 1975. — no. 1975-479. — P. 1-9.

59. Gutmark E., Schadow K. C., Bicker C. J.Near acoustic field and shock structure of rectangular supersonic jets // AIAA Journal. — 1990. — Vol. 28, no. 7. — P. 1163-1170.

60. Panda J.Shock oscillation in underexpanded screeching jets // Journal of Fluid Mechanics. — 1998. — Vol. 363. — P. 173-198.

61. Panda J. An experimental investigation of screech noise generation // Journal of Fluid Mechanics. — 1999. — Vol. 378. — P. 71-96.

62. Ponton M. K., Seiner J. M. The effects of nozzle exit lip thickness on plume resonance // Journal of Sound and Vibration. — 1992. — Vol. 154, no. 3. — P. 531-549.

63. Yu Y.K., Chen R. H., Chew L. Screech tone noise and mode switching in supersonic swirling jets // AIAA Journal. — 1998. — Vol. 36, no. 11. — P. 1968-1974.

64. Zaman K. B. M. Q. Spreading characteristics of compressible jets from nozzles of various geometries // AIAA Journal. — 1999. — Vol. 383. — P. 97-228.

65. Седельников Т. Х. О дискретной составляющей частотного спектра шума свободной сверхзвуковой струи // Физика аэродинамических шумов, сб. статей под ред. А.В. Римского-Корсакова. — 1967. — С. 88-94.

66. Седельников Т. Х. Автоколебательное шумообразование при истечении газовых струй. — М.: Наука, 1971. — 86 с.

67. Дискретная составляющая в спектре шума сверхзвуковых струй / А. М. Ануфриев, В. В. Комаров, В. М. Купцов и др. // Известия АН СССР. Cерия МЖГ. — 1969. — № 5. — С. 162-165.

68. Глазнев В. Н. Автоколебания при истечении сверхзвуковых нерасчетных струй // Моделирование в механике. — 1987. — Т. 1, № 6. — С. 29-43.

69. Бикарт Э. М. Результаты экспериментального исследования шума сверхзвуковой струи // Ученые записки ЛГУ. — 1973. — Т. 49, № 369. — С. 125128.

70. Соколов Е. И., Усков В. Н. Взаимодействие сверхзвуковой осесимметрич-ной струи с преградой и встречным потоком // Струйные и отрывные течения. Ч. III: Сб. науч. тр. - МГУ. — 1985. — С. 18-33.

71. Raman G. Supersonic jet screech: Half-century from Powell to the present // Journal of Sound and Vibration. — 1999. — Vol. 225, no. 3. — P. 543-571.

72. Современный проблемы неравновесной газо- и термодинамики: Сб. статей / Под ред. В.Н. Ускова. — СПб.: БГТУ, 2002. — 276 с.

73. А.Н. Антонов, В.М. Купцов, В.В. Комаров. Пульсации давления при струйных и отрывных течениях. — М.: Машиностроение, 1990. — 272 с.

74. Либерман М.Ю. О моделировании процессов формирования пусковых нагрузок, оказывающих динамическое воздействие на космический аппарат // Вопросы электромеханики. — 2013. — Т. 136. — С. 19-30.

75. Alestra S., Terrasse I., Troclet B. Inverse method for identification of acoustic sources at launch vehicle liftoff // AIAA Jornal. — 2003. — Vol. 41, no. 10. — Pp. 1980-1987.

76. Экспериментальное определение акустических нагрузок при пусках РН «Стрела» и расчетное определение режимов экспериментальной отработки выводимых космических аппаратов / П. Я. Носатенко, А. В. Бобров, М. Л. Баранов, А. Н. Шляпников // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета. — 2010. — № 2. — С. 112-123.

77. Попов П. А., Синдюков А. А., Крючков А. Н. Особенности акустического нагружения космического аппарата внутри головного обтекателя при его запуске в составе ракеты-носителя типа «союз» // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета. — 2013. — Т. 39, № 1. — С. 80-90.

78. Выносливость авиационных конструкций при акустических нагрузках / Под ред. Л.П. Лапоринской. — М.: Изд-во ЦАГИ, 1967.

79. Гудков А. И., Пачандо А. В. Внешние нагрузки о прочность летательных аппаратов. — М.: Машиностроение, 1968. — 327 с.

80. Гиневский А. С., Власов Е. В., Каравосов Р. К. Акустическое управление турбулентными струями. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2001. — 240 с.

81. Попов П. А., Синдюков А. А. Конструктивные мероприятия по снижению акустического давления внутри изделий ракетно-космической техники // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета. — 2014. — Т. 43, № 1. — С. 68-79.

82. Исследование характеристик сопла ТРДД с регулируемыми шевронами / А. А. Алексенцев, Бекурин Д. Б., Е. В. Власов и др. // Ученые записки ЦАГИ. — 2009. — Т. 15, № 6. — С. 14-21.

83. Papamoschou D. Mach wave elimination in supersonic jets // AIAA Paper. — 1997. — Vol. 97, no. 0147. — Pp. 1-9.

84. Власов Е. В., Гиневский А. С. Когерентные структуры в турбулентных струях и следах // Итоги науки и техники. Сер. Механика жидкости и газа. — 1986. — Т. 2. — С. 3-84.

85. Гиневский А. С, Власов Е. В., Колесников А. В. Аэроакустические взаимодействия. — М.: Машиностроение, 1978. — 177 с.

86. Губанов Д. А. Влияние микроструй на структуру и акустическое излучение сверхзвуковой ндорасширенной струй: Дис. ... к-да физ.-мат. наук. — Новосибирск, ИТПМ СО РАН, 1990. — 140 с.

87. Kurbjun M. Limited investigation of noise suppression by injection of water into exhaust of aftefu3urning jet engine // NASA RM L57L05. — 1958.

88. Lilley G. M. Jet noise suppression means. — U. S. Patent 2,990,905, 1961.

89. Guest S. H. Space shuttle noise suppression concepts for the eastern test range // 13th JANNAF Congress, Technology for the New Horizon. — 1976. — Pp. 459478.

90. Norum T. D. Reduction in multi component jet noise by water injection // AIAA Paper. — 2004. — no. 2004-2976.

91. Turbulence and noise suppression of a high-speed jet by water injection / A. Krothapalli, L. Venkatakrishnan, L. Lourenco et al. // Journal of Fluid Mechanics. — 2003. — Vol. 491, no. 2004-2976. — Pp. 131-159.

92. Supersonic jet noise suppression by water injection / A. Krothapalli, L. Venkatakrishnan, L. Lourenco et al. // AIAA Paper. — 2000. — no. 2000-2025.

93. Krothapalli A., Washington D. The role of water injection on the mixing noise supersonic jet// AIAA Paper. — 1998. — no. 1998-2205.

94. Zoppellari E., Juve D. Reduction of jet noise by water injection // AIAA Paper. — 1997. — no. 1997-1622.

95. Suppression of high mach number rocket jet noise by water injection / S. Sankaran, J. K. Ignatius, R. Ramkumar et al. // Journal of Spacecraft and Rocket. — 2009. — Vol. 46, no. 6. — Pp. 1164-1170.

96. Marble F. E., Candel S. M. Acoustic attenuation in fans and ducts by vaporization of liquid droplets // AIAA Journal. — 1975. — Vol. 13, no. 5. — Pp. 634-639.

97. Kandula M. Prediction of turbulent jet mixing noise reduction by water injection // AIAA Journal. - 2008. - Vol. 46, no. 11. - Pp. 2714-2722.

98. Kandula M. Broadband shock noise reduction in turbulent jets by water injection // Applied Acoustics. - 2009. - Vol. 70, no. 7. - Pp. 1009-1014.

99. Kandula M. Spectral attenuation of sound in dilute suspensions with nonlinear particle relaxation // Journal of the Acoustical Society of America. - 2008. -Vol. 124, no. 5. - Pp. EL284-EL290.

100. Zoppellari E., Juve D. Reduction of hot supersonic jet noise by water injection // AIAA Paper. - 1997. - no. 1998-2204.

101. Suppression of jet noise by staged water injection during launch vehicle liftoff / J. K. Ignatius, S. Sankaran, A. R. Kumar et al. // International Journal of Aeroa-coustics. - 2008. - Vol. 7, no. 3-4. - Pp. 223-242.

102. Ignatius J. K., Sankaran S., R. Chakravarthy S. Supersonic jet noise and suppression characteristics during launch vehicle liftoff // Proceedings of the 13th Asian Congress of Fluid Mechanics. - 2010. - Pp. 569-572.

103. Астафьева Н. М. Вейвлет-анализ: основы теории и примеры применения // Успехи физических наук. - 1996. - Т. 166, № 11. - С. 1145-1170.

104. Grossmann A., Morlet J.Decomposition of Hardy functions into square integrable wavelets of constant shape // SIAM J.Math.Analysis. - 1984. - Vol. 15, no. 4. - Pp. 723-736.

105. Короновский А. А., Храмов А. Е. Непрерывный вейвлет-анализ и его приложения. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. - 176 с.

107. Фрик П. Г. Турбулентность: модели и подходы. Курс лекций. — Перм. гос. техн. ун-т. Часть II. Пермь, 1999. — 136 с.

108. ANSYS FLUENT v.16.Release. Theory guide.

109. Абрамович Г. Н. Теория турбулентных струй. — М.: ЭКОЛИТ, 2011. — 720 с.

110. Забайкин В. А. Газодинамика горения в открытом потоке и каналах переменной геометрии: Дис. ... док. техн. наук. — Новосибирск, ИТПМ СО РАН, 2012. — 256 с.

111. Abdel-Fattah A. M. Discrete tone emission from high-pressure ratio supersonic jets fromconvergent-divergent nozzles // AIAA Journal. — 1988. — Vol. 26, no. 3. — Pp. 283-291.

112. Адрианов А. Л., Старых А. Л., У сков В. Н. Интерференция стационарных газодинамических разрывов. — Новосибирск: ВО. «НАУКА», 1995. — 178 с.

113. Андрюшкин А. Ю. Формирование дисперсных систем сверхзвуковым газодинамическим распылением. — СПб.: Балт. гос. техн. ун-т., 2012. — 400 с.

Приложение А

Акт внедрения результатов исследования

Акт внедрения результатов исследования в АО «КБСМ»