Аэродинамические источники шума
..pdfмость 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:
Де= 10 lg-^S- |
(2.136) |
Н |
|
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
смешении истекающей из эжектора струи |
де, |
1 |
|
|
||||
с окружающей средой (рис. 2.67). |
дБ Формулт(Р.1М) |
|
||||||
Расчетные величины снижения акус |
|
|
|
|
||||
тической |
мощности |
струи |
при наличии |
5 |
/ / |
' |
|
|
эжектора |
оказались |
несколько |
больше |
ОL |
тмент |
|||
экспериментальных, вероятно, вследствие |
|
|
1 |
|||||
того, что при расчете не учитывался ряд |
1 |
i |
M W |
|||||
физических факторов, снижающих аку |
Рис. 2.67. Снижение уровня |
|||||||
стическую эффективность |
эжектора. Тем |
|||||||
не менее, результаты сравнения показы |
акустической |
|
мощности |
|||||
струи |
вследствие |
примене |
||||||
вают, что предлагаемый метод расчета |
|
ния эжектора |
||||||
позволяет |
оценить |
порядок |
величины |
|
|
|
|
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
Рис. 2.69. Акустическая эффектив |
Рис. 2.70. Сравнение результатов рас |
||
ность многотрубчатого насадка |
чета |
и экспериментальных исследова |
|
|
ний |
акустической |
эффективности |
|
|
многотрубчатого насадка |
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:
As= —10 lg k V a t z ± |
0,5 У |
(2. 137) |
|
VnF)\' |
|||
п |
|
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
|
|
|
|
Р а с ч е т ,Д £ |
|
|
|
|
|
|
|
|
свободная |
ст руя |
|
|
|
|
|
|
---------Струя со Вдубом |
|
|
|||
|
|
|
|
|
V |
|
|
|
|
|
|
|
\ \ |
|
|
Л |
|
|
|
|
s |
А 1* ' |
Э ксперим ент ,Д 0,9 --30° |
|||
|
|
|
' у |
/ -------Свободная ст руя |
|
|||
|
|
|
|
......... Струя со вд убом ( |
|
|||
|
|
|
.jnZ.-------i-------- 1----- -----1--------1-------- |
|||||
О |
5 |
10 л |
0,05 |
0,1 |
0,2 |
0,5 |
1,0 |
Sh |
|
|
|
|
|
|
|||
Рис. 2.71. |
Распределение |
акустичес |
Рис. 2.72. |
Сравнение |
результатов* |
|||
кой |
мощности вдоль |
струи |
расчета и экспериментальных ис |
|||||
|
|
|
следований акустической |
эффек |
||||
|
|
|
тивности |
струйного |
шумоглуши |
|||
|
|
|
|
|
теля |
|
|
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
200 |
500 |
1000 |
2000 |
5000 |
10000 |
$Гц |
0,03 |
0,075 |
0,15 |
0,3 |
0,75 |
1,5 |
Sh |
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
e = _ L _ C J E ii |
|
J 1 г |
* _ + .L i i e + J L iL ie jr f s ,. |
|||
4лсо уГ dt/idyj Г |
4 л |
dn |
r2 dn |
Cor dn |
dt ) |
|
|
|
s |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
( 3 .1 ) |
г Д е Ui,j — к о о р д и н а т ы |
в потоке; |
r = X— Y — расстояние от источ |
||||
ника звука в о б ъ е м е |
до |
точки |
поля |
вне потока, где |
необходимо |
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,
dr |
dr |
Xi- У , |
X i - Y t |
ду-i |
dXi |
X - Y |
\ ' X ] + Y ] |
В результате получим более удобную форму выражения для по верхностного интеграла в уравнении (3.1)
\(-L - ^ - + — |
— е + — |
*L\d.s=\u±- ——(Q8,/)dS— |
||||
-S) \ г дп |
г2 |
дп |
' сог дп |
dt ) |
5.) |
г ду[ |
|
- U ( - — Q+ — — |
) a s = |
||||
|
.) |
\ /*2 дхi |
c0r dxt |
dt I |
|
|
|
- V ‘ T |
i ^ dSJ- V ‘k { - y * ‘¥ S: |
||||
|
s |
|
|
s |
|
|
'Тогда в общем виде решение волнового уравнения будет иметь
вид |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
. |
I |
|
|
i |
(Qy + / |
A |
( i Qa |
^ |
. (3.2) |
|
|
4 л ^о |
J dytdyj |
г |
4 л |
J [ г d y t |
|
d x i \ |
r |
j ) |
|
|
Преобразуем |
теперь |
объемный |
интеграл |
уравнения |
(3.2), ис |
пользуя теорему Остроградского — Гаусса
d S = \ — ( Tii) d v = |
\ |
dTii |
||||
|
J дщ \ |
г |
i |
J |
dyi |
|
г |
V |
ds |
|
|
V |
|
этц |
_P |
d2Tij |
dV |
|
||
) |
dyi |
г |
|
J dyidyi |
r |
|
S |
|
|
V |
|
|
Отсюда получим
43 |
|
H |
|
1 |
|
1 |
J |
Г |
|
dXi |
|
|
|
|
V |
d |
i |
дТи |
dV |
dxi |
) |
dyi |
r |
|
V |
|
|
г д2Ги |
dV |
—— |
\ — |
dV + — ^ li Ти |
— |
|
dTU dS |
(3. 3) |
||||
J dyiдуj |
г |
+ \ U—- — |
||||||||||
dx[dxj |
j |
r |
|
dxi |
J |
1 |
г |
J |
dyi г |
К |
||
v |
|
|
v |
|
|
|
s |
|
|
|
|
|
Подставляя (3.3) в (3.2), будем иметь |
|
|
|
|
|
|||||||
|
1 |
/ 02 |
р |
|
dv |
д |
V / |
/'Г |
I |
2 * |
ч dS |
|
|
|
|
|
Tii ~ |
+ а |
^ /' (7" + с °е8,' ) — |
|
|||||
|
|
+\li |
dCTij + cfabij) |
dS |
|
|
(3.4) |
|||||
|
|
|
dyi |
|
v |
) |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
s |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Воспользуемся выражениями для тензора напряжения |
|
|||||||||||
и для импульса |
|
ТИ= QVtVj + Ри — COQ8;j |
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
д (QVj) |
| д |
(Qvivj -{-Pij) = 0. |
|
|
||||||
|
|
|
dt |
|
дУ) |
|
|
|
|
|
|