Рассеяние звука периодическими вихревыми структурами

• Автор: Соустов, Павел Львович
• Шифр специальности: 01.04.06
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1999
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 134 с. : ил.

ГЛАВА 1. Экспериментальное и теоретическое исследование влияния нагрева на геометрические параметры вихревой дорожки. Распределения полей скорости и температуры в следе за нагретым цилиндром; теоретические модели и результаты экспериментальных исследований
1.1 Введение
1.2 Эксперимент. Влияние нагрева цилиндра на геометрию вихревой дорожки, размеры области формирования. Исследование поведения первых гармоник полей скорости и температуры в дорожке Кармана
1.3 Теоретическая модель нагретого вихря
1.4 Теоретические модели поведения полей скорости и температуры в следе за нагретым цилиндром
Приложение 1
ГЛАВА 2. Дистанционная акустическая диагностика следа за нагретым цилиндром; теория и эксперимент
2.1 Введение
2.2 Теоретическая модель рассеяния низкочастотных звуковых волн вихревой дорожкой Кармана, состоящей из нагретых вихрей
2.3 Экспериментальные результаты акустической диагностики вихревого следа
2.4 Эффект расщепления гармоник при рассеянии звука вихревой дорожкой за нагретым цилиндром
ГЛАВА 3. Рассеяние звука дорожкой из крупномасштабных вихре
3.1 Введение
3.2 Численный расчет рассеяния плоской высокочастотной волны бесконечной дорожкой Кармана в приближении геометрической акустики
3.3 Аналитический расчет рассеянного вихревой дорожкой Кармана звукового поля на больших расстояниях
3.4 Эксперимент по рассеянию коротковолнового звука дорожкой из крупномасштабных вихрей при Ке = 800
Заключение
Литература

В последние годы внимание исследователей в области аэрогидродинамики и теплофизики вновь привлекла проблема дистанционной акустической диагностики вихревых течений. Роль таких течений в технике хорошо известна. В ряде случаев образование вихрей является нежелательным явлением, и его пытаются предотвратить. Так, в магистралях подвода энергоносителей и отвода продуктов сгорания энергоустановок стремятся подавить отрыв течения и образование вихрей. Так же принимают меры по недопущению образования вихрей на крыле летательного аппарата. В других случаях, напротив, специально добиваются их образования. В камерах сгорания в целях стабилизации процесса горения часто намеренно создают отрыв потока, приводящий к генерации вихрей. Вихреобразование может использоваться для интенсификации теплообмена рабочего тела со стенкой. В практической аэродинамике огромную роль играют так называемые «хвостовые вихри». Эти вихри образуются за крылом летящего самолета. Известно, что большая часть энергии летящего самолета передается паре крупномасштабных (с размером ядра до нескольких метров в диаметре) вихрей с противоположной циркуляцией, возникающих в результате разности давлений на верхней и нижней поверхностях крыла. Размер и интенсивность возникающих вихрей зависит от угла «атаки» и размера крыла, а время жизни может достигать нескольких минут. Перечисленные свойства «хвостовых» вихрей делают очень опасным пролет небольшого самолета через вихревой след крупного лайнера. Таким образом возникает задача детектирования подобных вихрей в особенности в районах аэропортов, где плотность воздушного движения очень высока. Один из известных способов детектирования таких вихрей заключается в определении их параметров по характеристикам рассеянного на таких вихрях звука. Необходимо заметить, что поскольку «хвостовые» вихри образуются за крылом в непосредственной близости от двигателей самолета, то задача детектирования существенно усложняется, т.к. рассеяние звука происходит
до точки наблюдения г достаточно велико и используется асимптотическое представление функции Н)'кг), тогда из уравнения (2.2) получается :

Учитывая, что вихревое поле скорости содержит лишь тангенциальную компоненту, зависящую лишь от расстояния до центра вихря, и обозначая
К = к - к', где К = 2кsin-■ и £-волновой вектор рассеянной волны, из (2.3) для
малых добавок к плоской волне получаем:
— е'Сг (sin в sin - — cos —) r'dr'Jt(Kr')v(r') (2.4)
со 2 2 J
Из формулы (4) не сложно получить сечение рассеяния уединенным вихрем :
S(k,0) = Z,COS2 *cos2 0/fc2 fr'rfrV,(Ar')[o(r»)/c]2 = * /(*)/(*) (2.5)
zA z J zA
где (9- угол рассеяния и Ь w. Из (2.5) можно сделать несколько очень важных
выводов :
1. Рассеяние назад уединенным вихрем ( в = л ) отсутствует.
2. Если не учитывать зависимости К(в), то вся зависимость от угла определится
зависимостью ^в) . Эта функция имеет максимальное значение при малых
углах рассеяния = » и стремится к 0 при 9 = к . В направлении назад К
максимальное значение 0.0741 достигается при 0 = 131.8”. Очевидно, что °о достигается из-за рассеяния звуковой волны на бесконечном поле скорости,
спадающем как - — на большом расстоянии от центра вихря.
2 7ГГ
3. Полезно рассмотреть в качестве модели вихрь Осеена. Его поле скорости имеет вид :
и(г)= г° (1-е^л) (2.6)
1лг
Тогда для сечения рассеяния будем иметь: