Контроль излучения звука потоком в нерегулярном канале
Рассматриваются методы управления потоком в нерегулярном канале с двумя сужениями, а также методы управления эффективностью излучения звуковой энергии таким потоком. Показано, что изменение геометрии области между сужениями и расположения отверстий сужений может привести к качественному изменению ка...
Saved in:
| Published in: | Доповіді НАН України |
|---|---|
| Date: | 2015 |
| Main Authors: | , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
2015
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/95689 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Контроль излучения звука потоком в нерегулярном канале / И.В. Вовк, В.С. Малюга // Доповiдi Нацiональної академiї наук України. — 2015. — № 1. — С. 50-55. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-95689 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Вовк, И.В. Малюга, В.С. 2016-03-02T14:20:06Z 2016-03-02T14:20:06Z 2015 Контроль излучения звука потоком в нерегулярном канале / И.В. Вовк, В.С. Малюга // Доповiдi Нацiональної академiї наук України. — 2015. — № 1. — С. 50-55. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. 1025-6415 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/95689 534.2 Рассматриваются методы управления потоком в нерегулярном канале с двумя сужениями, а также методы управления эффективностью излучения звуковой энергии таким потоком. Показано, что изменение геометрии области между сужениями и расположения отверстий сужений может привести к качественному изменению картины течения и, как следствие, к увеличению или уменьшению на порядок излучаемой потоком звуковой энергии. Розглянуто методи керування потоком у нерегулярному каналi з двома звуженнями, а також методи керування ефективнiстю випромiнювання звукової енергiї таким потоком. Показано, що змiнювання геометрiї областi мiж звуженнями i розташування отворiв може спричинити якiснi змiни картини течiї, а отже привести до збiльшення або зменшення на порядок звукової енергiї, що випромiнюється потоком. This article addresses the methods of flow control in an irregular duct with two contractions and the methods of efficiency control of the sound radiation by a flow. It is shown that the variation of the domain between the contractions, as well as the variation of the hole positions, may cause some qualitative changes in the flow character. In this case, the acoustic energy radiated by the flow may be changed by an order in magnitude. ru Видавничий дім "Академперіодика" НАН України Доповіді НАН України Механіка Контроль излучения звука потоком в нерегулярном канале Контроль випромiнювання звуку потоком у нерегулярному каналi Control over the sound generation by a flow in the irregular channel Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Контроль излучения звука потоком в нерегулярном канале |
| spellingShingle |
Контроль излучения звука потоком в нерегулярном канале Вовк, И.В. Малюга, В.С. Механіка |
| title_short |
Контроль излучения звука потоком в нерегулярном канале |
| title_full |
Контроль излучения звука потоком в нерегулярном канале |
| title_fullStr |
Контроль излучения звука потоком в нерегулярном канале |
| title_full_unstemmed |
Контроль излучения звука потоком в нерегулярном канале |
| title_sort |
контроль излучения звука потоком в нерегулярном канале |
| author |
Вовк, И.В. Малюга, В.С. |
| author_facet |
Вовк, И.В. Малюга, В.С. |
| topic |
Механіка |
| topic_facet |
Механіка |
| publishDate |
2015 |
| language |
Russian |
| container_title |
Доповіді НАН України |
| publisher |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Контроль випромiнювання звуку потоком у нерегулярному каналi Control over the sound generation by a flow in the irregular channel |
| description |
Рассматриваются методы управления потоком в нерегулярном канале с двумя сужениями, а также методы управления эффективностью излучения звуковой энергии таким потоком. Показано, что изменение геометрии области между сужениями и расположения отверстий сужений может привести к качественному изменению картины течения и, как следствие, к увеличению или уменьшению на порядок излучаемой потоком звуковой энергии.
Розглянуто методи керування потоком у нерегулярному каналi з двома звуженнями, а також методи керування ефективнiстю випромiнювання звукової енергiї таким потоком. Показано, що змiнювання геометрiї областi мiж звуженнями i розташування отворiв може спричинити якiснi змiни картини течiї, а отже привести до збiльшення або зменшення
на порядок звукової енергiї, що випромiнюється потоком.
This article addresses the methods of flow control in an irregular duct with two contractions and
the methods of efficiency control of the sound radiation by a flow. It is shown that the variation
of the domain between the contractions, as well as the variation of the hole positions, may cause
some qualitative changes in the flow character. In this case, the acoustic energy radiated by the
flow may be changed by an order in magnitude.
|
| issn |
1025-6415 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/95689 |
| citation_txt |
Контроль излучения звука потоком в нерегулярном канале / И.В. Вовк, В.С. Малюга // Доповiдi Нацiональної академiї наук України. — 2015. — № 1. — С. 50-55. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT vovkiv kontrolʹizlučeniâzvukapotokomvneregulârnomkanale AT malûgavs kontrolʹizlučeniâzvukapotokomvneregulârnomkanale AT vovkiv kontrolʹviprominûvannâzvukupotokomuneregulârnomukanali AT malûgavs kontrolʹviprominûvannâzvukupotokomuneregulârnomukanali AT vovkiv controloverthesoundgenerationbyaflowintheirregularchannel AT malûgavs controloverthesoundgenerationbyaflowintheirregularchannel |
| first_indexed |
2025-11-25T22:32:38Z |
| last_indexed |
2025-11-25T22:32:38Z |
| _version_ |
1850566332656910336 |
| fulltext |
оповiдi
НАЦIОНАЛЬНОЇ
АКАДЕМIЇ НАУК
УКРАЇНИ
1 • 2015
МЕХАНIКА
УДК 534.2
И.В. Вовк, В.С. Малюга
Контроль излучения звука потоком в нерегулярном
канале
(Представлено академиком НАН Украины В. Т. Гринченко)
Рассматриваются методы управления потоком в нерегулярном канале с двумя суже-
ниями, а также методы управления эффективностью излучения звуковой энергии та-
ким потоком. Показано, что изменение геометрии области между сужениями и рас-
положения отверстий сужений может привести к качественному изменению карти-
ны течения и, как следствие, к увеличению или уменьшению на порядок излучаемой
потоком звуковой энергии.
Принято считать, что нерегулярными каналами являются каналы, которые имеют геомет-
рические или физические локальные особенности. Например, излом, резкие расширения
или сужения, разветвления, изменения физических свойств стенок и т. д. Нас будут интере-
совать нерегулярные каналы, у которых имеются два резких сужения, отстоящих друг от
друга на расстоянии, сравнимом с шириной канала. Хорошо известно, что при движении
по такому каналу потока жидкости или газа в результате взаимодействия потока с этими
сужениями могут возникать значительные звуковые колебания [1–4]. Необходимо сказать,
что каналы подобного рода представляют интерес как для физики, так и для техники.
Исторически сложилось так, что вначале каналы с двумя сужениями нашли примене-
ние в кустарных устройствах, с помощью которых охотники, создавая характерный свист,
приманивали птиц (такое устройство называется мано́к или пи́щик [4]). А позже — при со-
здании различных сигнальных свистков и мощных гудков в железнодорожном и морском
транспорте. Очевидно, что при создании таких свистков и гудков необходимо добиваться
максимальной эффективности преобразования энергии потока в звуковую энергию.
Другой, сравнительно новой областью техники, в которой нашли применение каналы
с двумя сужениями, являются твердотопливные ракетные двигатели [5–7]. Именно в облас-
ти между сужениями происходит горение топлива, а роль сужений выполняют подвижные
заслонки, которые изменяют сечение сужений и тем самым регулируют величину тяги ра-
кетного двигателя. Однако при этом поток горячих газов может возбудить мощные звуко-
вые колебания и, соответственно, вибрации заслонок, что в свою очередь может привести
© И.В. Вовк, В.С. Малюга, 2015
50 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2015, №1
Рис. 1. Нерегулярный канал с двумя сужениями: 1 — стенки канала; 2 — первое (по потоку) сужение; 3 —
второе сужение
Рис. 2. Поле завихренности течения при докритических числах Рейнольдса
к нарушению штатных режимов подачи топлива и величины тяги и даже к разрушению
заслонок. Совершенно очевидно, что при создании таких ракетных двигателей необходи-
мо добиваться минимальной эффективности преобразования энергии потока в звуковую
энергию или по возможности вообще недопущения возбуждения звуковых колебаний.
Цель настоящей работы — показать, как с помощью рационального выбора геометри-
ческих параметров области между сужениями можно управлять потоком и, соответственно,
уровнем излучаемой им звуковой энергии. Эта проблема будет решаться на основе числен-
ного решения уравнения Навье–Стокса для потока в канале с двумя сужениями и последу-
ющего анализа полученных количественных данных.
Теория. Рассмотрим нерегулярный плоский канал с двумя сужениями, отстоящими
друг от друга на расстоянии, сравнимом с шириной канала (рис. 1). Будем полагать, что
поток, движущийся со скоростью V1, набегает на сужения со стороны отрицательных зна-
чений оси Ox. В работах [8, 9] весьма подробно описан метод оценки гидродинамических
и звуковых характеристик потока в подобных каналах. Поэтому на нем мы останавливаться
не будем, а лишь укажем, что задача решается в два этапа: на первом этапе численным ме-
тодом конечных объемов решается нестационарная система уравнений Навье–Стокса, а на
втором этапе на основе вычисленных гидродинамических характеристик оценивается гене-
рируемое потоком звуковое поле. При этом существенно используются следующие гипотезы:
мощность звука, порождаемая потоком, мала по сравнению с мощностью набегающего на
сужения потока и порожденный звук не влияет на характер самого потока.
Анализ численных результатов. В работах [4, 8, 9] показано, что, начиная с неко-
торых критических значений чисел Рейнольдса, в области между сужениями возникают
гидродинамические автоколебания. Для того чтобы понять физические причины их появ-
ления, рассмотрим типичное поле завихренности, возникающее в канале с двумя одинако-
выми сужениями при движении потока с докритическими значениями чисел Рейнольдса
(рис. 2). Как видно, первое сужение формирует струю 1, на поверхностях которой обра-
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2015, №1 51
зуются два (верхний и нижний) ламинарных пограничных слоя. По мере движения струи
в области между сужениями она естественно расширяется и расширяются пограничные
слои. Это приводит к тому, что при входе струи во второе сужение она расщепляется. Одна
(центральная) часть проходит в отверстие второго сужения, а вторая часть (обозначена
стрелкой 2 ) движется вдоль стенок второго сужения канала и стенок первого сужения
в обратном направлении и, в конечном итоге, достигает начала (корня) струи.
Таким образом, мы имеем гидродинамическую систему с четко выраженной обратной
связью и возникновение автоколебаний естественно будет существенно зависеть от мощнос-
ти обратного потока 2 и его фазовых характеристик. Здесь необходимо сразу отметить, что
в отличие от электронных приборов (например, генераторов сигналов) с каналами обратных
связей, где имеется возможность сравнительно точно подобрать уровень и фазу сигнала
обратной связи для обеспечения устойчивых автоколебаний, в рассматриваемой гидроди-
намической системе осуществить это весьма непросто. И связано это с тем, что в нашем
случае поток 2 распределен в пространстве, и в каждой точке этого пространства он хара-
ктеризуется своим значением скорости, давления и завихренности. Поэтому к корню струи
поток 2 доставляет смесь частиц среды, имеющих разные гидродинамические характерис-
тики, и ответить заранее на вопрос — возникнут автоколебания или нет и какова будет их
мощность, весьма сложно. Тем не менее естественно предположить, что изменяя геометри-
ческие характеристики области между сужениями и самих сужений, можно эффективно
влиять на поток обратной связи и тем самым влиять на энергетику автоколебаний и ге-
нерируемый ими уровень звуковых колебаний. Покажем эту возможность на конкретных
примерах.
На рис. 3, а приведено поле завихренности при Re = 4000 (число Рейнольдса вычисля-
лось по длине L1). При выбранных геометрических параметрах энергии в потоке обратной
связи 2 достаточно, чтобы в области между сужениями влиять на корень струи, в ре-
зультате чего в сдвиговых слоях образуется характерная последовательность вихрей. При
этом ряды вихрей в верхнем и нижнем сдвиговых слоях располагаются относительно друг
друга в шахматном порядке. Набегая на второе сужение, эти вихри вызывают антисиммет-
ричные практически гармоничные колебания вертикального профиля скорости во втором
сужении, в результате чего возбуждаются звуковые волны. Поскольку колебания профи-
ля скорости антисимметричны, звуковой источник в сужении имеет дипольный характер.
И хотя дипольные источники не являются эффективными источниками звука, тем не менее,
учитывая большую мощность потока газов в камерах сгорания твердотопливных двигате-
лей ракет, преобразование даже небольшой доли энергии этого потока в звуковую энергию
может вызвать в камерах сгорания звуковые колебания, достаточные для разрушения зас-
лонок, регулирующих тягу двигателей, о чем неоднократно указывалось в [5–7].
В работе [10] установлено, что увеличение отношения L1/D1 приводит к разрушению
упорядоченной вихревой структуры в области между сужениями и, соответственно, к рез-
кому снижению излучаемой звуковой энергии. Действительно, при сравнении рис. 3, а
и рис. 3, б становится очевидным, что уже при L1/D1 = 0,45 (при остальных равных пара-
метрах) потоки обратной связи в верхней и нижней половинах области между сужениями
становятся совершенно разными и не стремящимися к корню струи, вследствие чего упо-
рядоченная вихревая структура в сдвиговых слоях практически полностью разрушается.
Дополнительные расчеты показывают, что в этом случае колебания вертикальных профи-
лей скорости во втором сужении становятся беспорядочными и звуковая энергия снижается
почти на порядок.
52 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2015, №1
Рис. 3. Поле завихренности течения: a — при Re = 4000, L1/D1 = 0,32, D4/D1 = 1, D1/D2 = 9, D2 = D3;
б — при L1/D1 = 0,45
Рис. 4. Поле завихренности течения: a — при a/D1 = 0,25; б — D4/D1 = 0,33 (остальные параметры
такие же, как на рис. 3, a)
Можно указать еще два способа, позволяющие существенно ослабить обратную связь,
что приведет к резкому снижению энергии звукообразования. Первый способ очевиден и за-
ключается в расширении второго сужения, т. е. к увеличению отношения D3/D2. Уже при
D3/D2 > 1,3 струя практически не будет расщепляться на втором сужении и будет пол-
ностью проскакивать через сужение, не образуя поток обратной связи.
Второй способ предполагает смещение сужений относительно оси рассматриваемого ка-
нала. В этом случае геометрия верхней и нижней областей, где существуют потоки обратной
связи, будут разными, а значит, время их прихода к корню струи будет не коррелировано,
следовательно, будут отсутствовать условия для возбуждения автоколебаний. В качест-
ве примера на рис. 4, а представлено поле завихренности при смещении первого сужения
вверх, а второго сужения — вниз относительно оси симметрии канала. Здесь хорошо вид-
но, что в сдвиговых слоях струи упорядоченных вихревых структур не наблюдается и они
имеют хаотичный характер. Поэтому и звуковые эффекты будут незначительны.
До сих пор мы обсуждали вопрос снижения уровня излучения звука в рассматривае-
мом канале. Теперь рассмотрим возможности его увеличения. Выполненный выше анализ
позволяет предположить, что для повышения эффективности преобразования энергии по-
тока в звуковую энергию необходимо обеспечить достаточно сильный и устойчивый поток
обратной связи. Одним из очевидных путей является уменьшение объема области между
сужениями, например, за счет уменьшения размера D4. В качестве иллюстрации такой воз-
можности на рис. 4, б приведено поле завихренности при D4/D1 = 0,33. Здесь хорошо
видно, что в сдвиговых слоях струи образуются симметричные пары вихрей и поэтому вер-
тикальные профили скорости во втором сужении также будут симметричными относитель-
но оси симметрии рассматриваемого канала. А это в свою очередь обеспечивает условия
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2015, №1 53
появления во втором сужении звукового источника монопольного типа. Дополнительные
расчеты показали, что при такой геометрии канала уровень излучаемого звука увеличился
более чем на порядок по сравнению с каналом, изображенным на рис. 3, а.
Таким образом, в работе рассмотрены методы управления потоком и излучаемой им
звуковой энергией в нерегулярном канале, содержащем два сужения. Показано, что одним
из эффективных методов является рациональный выбор геометрии области между суже-
ниями и расположением отверстий сужений. В частности, установлено, что для снижения
излучаемой потоком звуковой энергии необходимо увеличивать объем области между су-
жениями и сдвигать отверстия сужений относительно оси симметрии канала. И, наоборот,
для увеличения излучаемой потоком звуковой энергии необходимо уменьшать объем об-
ласти между сужениями.
Проведенный качественный анализ дает важную информацию для организации вычи-
слительных процедур, обеспечивающих получение количественных оценок характеристик
звукового поля.
1. Anderson A.B. Structure and velocity of the periodic vortex-ring flow pattern of a Primary Pfeifenton
(Pipe ton) jet // J. Acoust. Soc. Amer. – 1955. – 27, No 6. – P. 1048–1053.
2. Rockwell R., Schachenmann A. Self-generation of organized waves in an impinging turbulent jet at low
Mach number // J. Fluid Mech. – 1982. – 117. – P. 425–441.
3. Hourigan K., Welsh M.C., Tompson M.C., Stokes A.N. Aerodynamic sources of acoustic rezonance in a
duct with baffles // J. Fluids Struct. – 1990. – 4. – P. 345–370.
4. Вовк И.В., Гринченко В. Т. Звук, рожденный потоком. – Киев: Наук. думка, 2010. – 221 с.
5. Brown R. S., Dunlap R., Young S.W., Waugh R.C. Vortex shedding as a source of acoustic energy in
segmented solid rockets // J. Spacecraft Rockets. – 1981. – 18, No 4. – P. 312–319.
6. Carmicino C. Acoustic, vortex shedding and low-frequency dynamics interaction in an unstable hybrid
rocket // J. Propulsion Power. – 2009. – 25, No 6. – P. 1322–1335.
7. Boyer G., Casalis G., Estivalezes J.-L. Stability analysis and numerical simulation of simplified solid rocket
motors // Phys. Fluids. – 2013. – 25, No 6. – 084109.
8. Вовк И.В., Гринченко В. Т., Малюга В.С. Особенности движения среды в каналах со стенозами //
Прикл. гiдромех. – 2009. – 11, № 4. – С. 17–30.
9. Вовк И.В., Малюга В.С. Звуковое поле, генерируемое потоком в канале со стенозами // Там само. –
2012. – 14, № 1. – С. 23–48.
10. Басовский В. Г., Вовк И.В., Вовк О.И. О возможности генерирования тональных звуковых колебаний
потоком воздуха в бронхах со стенозом // Акустич. вiсник. – 2003. – 6, № 1. – С. 3–21.
Поступило в редакцию 26.09.2014Институт гидромеханики НАН Украины, Киев
I. В. Вовк, В.С. Малюга
Контроль випромiнювання звуку потоком у нерегулярному каналi
Розглянуто методи керування потоком у нерегулярному каналi з двома звуженнями, а та-
кож методи керування ефективнiстю випромiнювання звукової енергiї таким потоком. По-
казано, що змiнювання геометрiї областi мiж звуженнями i розташування отворiв може
спричинити якiснi змiни картини течiї, а отже привести до збiльшення або зменшення
на порядок звукової енергiї, що випромiнюється потоком.
54 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2015, №1
I. V. Vovk, V. S. Malyuga
Control over the sound generation by a flow in the irregular channel
This article addresses the methods of flow control in an irregular duct with two contractions and
the methods of efficiency control of the sound radiation by a flow. It is shown that the variation
of the domain between the contractions, as well as the variation of the hole positions, may cause
some qualitative changes in the flow character. In this case, the acoustic energy radiated by the
flow may be changed by an order in magnitude.
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2015, №1 55
|