Метод измерений частотных характеристик звуковых колебаний

УДК 621.311.25(06) Физико-технические проблемы ядерной энергетики
О.В. МИТРОФАНОВА, Л.С. КОКОРЕВ,
М.М. ЛЯХОВИЦКИЙ1, А.И. ЧЕРНОВ1
Московский инженерно-физический институт (государственный университет)
1Институт металлургии и материаловедения им. Байкова (РАН)
МЕТОД ИЗМЕРЕНИЙ ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
ЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ В ЗАКРУЧЕННОЙ
ИМПАКТНОЙ СТРУЕ
«Тонкая» вихревая структура закрученного течения может быть выявлена с помощью предлагаемого
экспериментального метода, основанного на измерении частотных характеристик звуковых колебаний в
закрученной импактной струе. В работе [1] на основании полученных теплерограмм и опытов с
микровертушками было установлено, что структурную основу турбулентности в незакрученной импактной
газовой струе составляют вихри типа Тейлора-Гёртлера. О возможности генерации в исследуемом течении
звуковых колебаний в работе [1] умалчивается.
Предлагаемый метод измерений звуковых колебаний в импактной закрученной струе заключается в
следующем. Нагнетаемый газодувкой поток воздуха, проходя через расходомерное устройство, попадает в
вихревую камеру, закреплённую на демпфирующей опоре, предназначенной для устранения внешних
вибраций. Геометрия вихревой камеры позволяет сформировать закрученный поток воздуха, имеющий
максимальную интенсивность завихрённости в узком выходном сечении камеры (диаметр и геометрия
выходного отверстия камеры могут варьироваться). Для создания радиально-расходящейся импактной струи
над выходным отверстием камеры устанавливается преграда, выполненная в виде плоских дисков
(геометрия преграды также может варьироваться).
При уменьшении расстояния z между вихревой камерой и преградой до определенной фиксированной
величины h преграда, первоначально отбрасываемая исходящей из камеры струей при z > h, начинает
притягиваться к вихревой камере, образуя щелевой зазор шириной h. При этом возникают устойчивые
звуковые колебания, интенсивность которых зависит от расхода воздуха. Для измерения спектра
акустических колебаний используются измерительные микрофоны, широкополосный усилитель, анализатор
спектра и осциллограф.
Закрутка потока в вихревой камере приводит к вращению преграды (плоского диска). Частота оборотов
диска измеряется с помощью стробоскопического устройства. В измерительной схеме предусмотрено
использование двухканального осциллографа для синхронизации частот звуковых колебаний и вращения
диска.
На основании проведенных в настоящей работе экспериментов выдвинуто предположение, что
гидродинамическая (аэродинамическая) неустойчивость закрученного течения, возникающая при приближении
расходной скорости закрученного потока к критическому значению [2], связана с перестройкой вихревой структуры
потока и образованием «тонких» спиральных вихрей в области максимума тангенциальной скорости потока,
исходящего из сопла вихревой камеры, т.е. в области перехода от квазитвердого вращения к квазипотенциальному
течению. При достижении же критической скорости закрученная струя при наличии преграды должна распадаться
на систему спиральных вихрей. В то же время, критической скоростью истечения для газа является скорость звука
[3].
Периодичность фиксируемых в опыте звуковых колебаний может быть связана с тем, что радиальные
волны давления, обусловленные центробежным ускорением из-за глобальной закрутки потока в вихревой
камере (длинные центробежные волны) могут компенсироваться разряжениями в спиральных вихрях. При
этом винтовое движение в спиральных вихрях обеспечивает устойчивость периодических колебаний,
создавая продольные звуковые волны.
Измерение частоты звуковых колебаний и фиксируемой ширины щели h
в условиях
скомпенсированности избыточного давления (внешнее давление равно атмосферному) дает возможность
определения топологической картины течения и размеров спиральных вихрей.
Работы в области моделирования сложных вихревых и закрученных течений выполняются при
поддержке Программы по развитию системы ведущих научных школ – НШ–8044.2006.8 и РФФИ – гранты
05-08-01511-a, 06-08-00214-а.
Список литературы
1. Жилкин Б.И. Сыромятников Н.И. О модели импактной газовой струи. // Доклады АН СССР. 1977. Т. 234. № 4. С. 784-786.
2. Новиков И.И., Скобелкин В.И., Абрамович Г.Н., Клячко Л.А. Закономерность расхода жидкости в закрученном потоке (эффект
максимального расхода закрученного потока жидкости) - открытие № 389 внесено в Гос. реестр открытий 18.10.1990 г. по заявке №
ОТ-11080 от 27.02.1985.
3. Новиков И.И. Термодинамика. М.: Машиностроение. 1984. 592 с.
ISBN 5-7262-0710-6. НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2007. Том 8
1