авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Экспериментальное исследование длинноволновых турбулентных пристеночных пульсаций давления

На правах рукописи

Котов Алексей Николаевич

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ

ДЛИННОВОЛНОВЫХ ТУРБУЛЕНТНЫХ ПРИСТЕНОЧНЫХ

ПУЛЬСАЦИЙ ДАВЛЕНИЯ

01.02.05 Механика жидкости, газа и плазмы

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени

кандидата физико-математических наук

Москва, 2009

Работа выполнена на кафедре гидродинамики и аэроакустики Московского физико-технического института

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Б.М. Ефимцов.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук В.В. Зосимов (НИИ Прикладной Акустики), кандидат физико-математических наук М.В. Устинов (ЦАГИ).

Ведущая организация: ОКБ Сухого.

Защита состоится « » _ 2010 г. в часов на заседании диссертационного совета Д 403.004.01 при Центральном Аэрогидродинамическом институте имени профессора Н.Е. Жуковского по адресу:

140180, Московская область, г. Жуковский, ул. Жуковского, дом 1, ЦАГИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЦАГИ.

Автореферат разослан « » _ 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор В.М. Чижов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Проблема снижения шума на борту пассажирских самолётов появилась в середине XX века в связи с бурным развитием гражданского авиатранспорта.

Высокий уровень шума в салоне вызывает дискомфорт, отрицательно влияет на здоровье пассажиров и персонала. Вредное воздействие шума возрастает с увеличением длительности полетов, поэтому описанная проблема особенно актуальна для магистральных авиалайнеров.

Одним из основных источников шума в салоне современных скоростных самолётов являются колебания обшивки фюзеляжа, возбуждаемой пульсациями давления турбулентного пограничного слоя. Для расчёта колебаний и прогноза уровней шума в салоне необходимо знать структуру поля возбуждающих сил.

Наиболее информативной функцией о поле возбуждающих сил, определяемых пристеночными пульсациями давления турбулентного пограничного слоя, является частотно-волновой спектр. Эта функция описывает распределение энергии воздействующего на конструкцию случайного поля по частотам и волновым числам.

Экспериментальное исследование является основным источником информации о частотно-волновом спектре пристеночных пульсаций давления турбулентного пограничного слоя. Такие измерения проводятся с 60-х годов XX столетия, но полная картина распределения интенсивности по частотам и волновым числам до сих пор не получена. Большинство исследователей используют традиционные схемы спектрального анализа, не учитывающие специфику измеряемого поля. При этом экспериментаторы не задаются вопросом применимости используемых приборов для проведения измерений. Актуальной является и проблема интерпретации результатов измерений, оценки их достоверности.

В последние годы основное внимание аэроакустиков сосредоточено на длинноволновой области частотно-волнового спектра, так как часто именно она определяет уровень шума в салоне самолёта. В субконвективной области волновых чисел лежат длинноволновые моды колебаний обшивки, которые сложнее всего задемпфировать. Кроме того, акустическая область определяет долю звуковой энергии, переданную в салон нерезонансно, что определяется инерционным поведением обшивки фюзеляжа. Существующие данные об интенсивности пульсаций давления в области малых волновых чисел различаются более чем на три порядка, а достоверные экспериментальные данные о пульсациях давления в акустическом диапазоне волновых чисел отсутствуют. Этим оправдана необходимость экспериментального определения уровней частотно-волнового спектра поля пристеночных пульсаций давления турбулентного пограничного слоя.

Основным методом оценки уровней частотно-волнового спектра является измерение спектра пространственных корреляций. Однако спектр пространственных корреляций не чувствителен к длинноволновой области волнового спектра. Поэтому достоверных экспериментальных данных об уровнях пульсаций на малых волновых числах не получено, что подчёркивает актуальность разработки состоятельной методики эксперимента перед его проведением.

Цели работы.

1) Анализ существующих методов измерения частотно-волнового спектра и выявление причин неудач предшествующих экспериментов.

2) Формулировка задачи многомерного спектрального анализа применительно к полю пристеночных турбулентных пульсаций давления. Исследование применимости классических схем измерений и оценка ошибок, возникающих при их применении. Разработка методологической основы для экспериментального исследования частотно-волновых спектров.

3) Определение наиболее результативного метода измерений и его практическое применение для определения частотно-волнового спектра пристеночных турбулентных пульсаций давления. Получение спектральной плотности в длинноволновой области частотно-волнового спектра.

Научная новизна. В данной диссертации впервые:

1) Исследованы особенности поля пристеночных пульсаций давления турбулентного пограничного слоя, влияющие на возможность и точность измерения его частотно-волнового спектра. Произведены оценки ошибок, возникающих при спектральных измерениях.

2) Разработаны эффективные многоэлементные антенные решётки и построена методика эксперимента, позволяющего провести измерения частотно-волнового спектра с максимальной точностью, используя минимальное число датчиков давления.



3) Проведена серия экспериментальных работ по измерению уровней частотно-волнового спектра пристеночных турбулентных пульсаций давления на стенке канала малошумной аэродинамической установки с помощью прямоугольных мембран. Применение нескольких мембран с различными параметрами позволило получить результаты в широкой области частот и волновых чисел.

На защиту выносятся следующие научные результаты:

– Результаты анализа проблемы измерения частотно-волновых спектров, связанные с применением аналогии частотной и волновой фильтрации. Эти результаты позволяют утверждать, что искажения, вызванные дискретностью выборки и ограниченностью апертуры, которыми пренебрегают в ряде случаев при частотном анализе, существенно искажают результаты измерений спектральных уровней длинноволновых компонент поля пристеночных пульсаций давления турбулентного пограничного слоя.

Результаты исследования пространственной разрешающей способности датчиков давления со сложной формой чувствительной поверхности, применяемых в экспериментах. Для всех исследованных датчиков получены корректировочные функции частотного спектра мощности пульсаций давления турбулентного пограничного слоя.

– Результаты исследования основных положений теории спектрального анализа с целью оценки ошибок, которые неизбежно возникают при волновой фильтрации дискретно выбранного сигнала в силу невыполнения условий теоремы Котельникова-Найквиста. Результаты оценки влияния пространственной апертуры измерительной системы на спектральную разрешающую способность и на динамический диапазон спектрального анализа полей пристеночных турбулентных пульсаций давления. Методика определения оптимальной конфигурации многоэлементных измерительных систем, позволяющих провести измерения с максимальной точностью, используя минимальное число датчиков давления.

– Экспериментальные данные об уровнях частотно-волнового спектра пульсаций давления турбулентного пограничного слоя, полученные на стенке канала малошумной аэродинамической трубы. С помощью серии различных мембран проведены измерения в широком диапазоне частот и волновых чисел. На средних частотах уровни безразмерной спектральной плотности в субконвективном диапазоне примерно на 30 дБ ниже уровня конвективного пика и составляют около -80 дБ на средних частотах. Установлено, что в исследованном диапазоне частот и скоростей спектральная плотность зависит преимущественно от расстояния до конвективного пика.

Личный вклад автора состоит в проведении теоретического анализа и расчётов, в подготовке и проведении серии экспериментов, а также в обработке и анализе экспериментальных данных.

Апробация работы. Результаты работы были представлены на следующих конференциях: 47, 48, 49, 50, 51-ая Научные Конференции МФТИ (Москва, 2004, 2005, 2006, 2007, 2008 и 2009 гг.) [3, 4, 5, 7, 8, 10];

Научные Конференции «Авиационная акустика» (Звенигород, 2007 и 2009 гг.) [6, 9]. Результаты исследования используются при проведении экспериментов в НИО-9 ЦАГИ.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в печатных работах [1, 2]. Статья [1] опубликована в реферируемом журнале из списка ВАК «Учёные записки ЦАГИ», который также переводится на английский язык и выходит за рубежом.

Объём и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет страница. Диссертация содержит 67 рисунков и 2 таблицы. Библиография содержит 51 наименование работ.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Во введении обосновывается актуальность задачи и описывается современное состояние вопроса об измерении частотно-волновых спектров.

В первой главе проводится критический анализ известных методов измерения частотно-волнового спектра: многоэлементные волновые фильтры, измерения спектра пространственных корреляций с последующим преобразованием Фурье, использование мембраны в качестве волнового фильтра. Приведены характерные примеры экспериментальных исследований для каждого из методов анализа.

Рассматриваются достоинства и недостатки этих методов. Установлено, что многие из полученных результатов не являются достоверными, так как исследователи не доказали состоятельность полученных спектральных оценок и не оценили величины возможных ошибок.

Проведён обзор существующих моделей частотно-волнового спектра пристеночных пульсаций давления, в результате которого выявлены серьёзные противоречия между ними, что также указывает на необходимость проведения прямых измерений. Рассмотрены основные факторы, влияющие на спектральные уровни на малых волновых числах: применимость мультипликативной гипотезы и зависимость фазовой скорости от пространственного разделения между точками наблюдения.

Во второй главе рассмотрен вопрос разрешающей способности отдельного датчика давления, применяемого для измерений поля пульсаций давления турбулентного пограничного слоя. Изготовители датчиков используют сетки сложной формы, и тем самым находят компромисс между чувствительностью датчика и уровнем помех от попадания потока сквозь защитную сетку.

Неточечность чувствительной поверхности приводит к получению искажённых данных.

Для учёта фактора неточечности чувствительных элементов применяемых датчиков давления вычислены корректировочные функции частотного спектра мощности. Рассмотрены датчики, имеющие защитные сетки с отверстиями, равномерно расположенными внутри круга (число отверстий от 7 до 63), и датчики с отверстиями, расположенными по окружности и по дуге (от 1 до 32 отверстий).

Установлено, что при числе отверстий более 8 корректировочная функция датчиков с равномерным распределением отверстий практически совпадает с корректировкой круглого датчика такого же диаметра, а корректировочная функция датчиков с отверстиями, расположенными по кольцу практически совпадает с корректировкой датчика, имеющего чувствительную поверхность в форме кольца. Отличия незначительны и составляют доли децибел. Этот результат существенно упрощает обработку экспериментальных данных. Корректировочные функции для круглых датчиков различного диаметра представлены на рис. 1.

Вычислено, что датчик с концентрическим расположением отверстий защитной сетки примерно эквивалентен круглому датчику в 1.5 раза большего диаметра. Полученный результат хорошо согласуется с экспериментальными данными.

Также во второй главе рассмотрен вопрос о работе датчика давления, установленного под защитной сеткой прямоугольной формы с большим числом равномерно распределённых отверстий. Показано, что в этом случае чувствительность распределена по поверхности сетки неравномерно, а датчики такого типа неэффективны для волновой фильтрации.

Рис. 1. Вычисленные корректировочные функции для датчиков разного диаметра для случая аэродинамической трубы П-1 при скорости 45 м/с.

В третьей главе проведена оценка ошибок, возникающих при измерении частотно-волновых спектров. Причины этих ошибок:

1) Дискретность многоэлементной антенной решётки. Из-за невыполнения условий теоремы Котельникова-Найквиста восстановить измеряемое поле по конечному числу отсчётов невозможно. Это приводит к тому, что вся энергия, лежащая вне рабочего интервала волновых чисел антенной решётки, выступает в роли помехи. Величина этой помехи может быть оценена как спектральная плотность в конце рабочего интервала. Следовательно, для уменьшения этого вида помех и увеличения динамического диапазона следует расширять рабочий интервал волновых чисел, то есть уменьшать расстояние между отдельными элементами антенной решётки.

2) Ограниченность пространственной апертуры измерительной системы, согласно традиционным представлениям о спектральном анализе, приводит к ухудшению спектральной разрешающей способности. Это приводит к уширению измеренного конвективного максимума, появлению побочных максимумов, что делает невозможным провести точные измерения рядом с этим максимумом.

Чтобы этого избежать, ширина основного лепестка волновой характеристики антенны должна быть меньше ширины конвективного максимума. Расчёт показывает, что для этого размер антенны должен быть не меньше четырёх масштабов корреляции поля турбулентных пульсаций давления в заданном направлении на данной частоте. Формально, при ограничении пространственного интервала вместо спектральной плотности мы получаем некую другую функцию, которая называется спектральной оценкой и является результатом свёртки спектральной плотности с волновой характеристикой антенны. Следовательно, чтобы получить спектральную плотность, нам следует найти всё множество функций, удовлетворяющих уравнению свёртки и признать, что на основании наших опытных данных мы не можем сказать, какая из этих функций является спектральной плотностью исходного поля. Разброс значений этого множества функций и будет характеризовать ошибку измерений.

3) Помехи и шум. Показано, что в ряде случаев увеличение числа датчиков приводит не к уменьшению, а к увеличению ошибок при измерениях за счёт аддитивного шума.

Также сформулирован критерий оптимизации многоэлементных антенных решёток и разработаны универсальные алгоритмы для построения одномерных и двумерных измерительных систем. Приведены примеры таких систем, разработанных для применения в эксперименте. К примеру, на рис. проиллюстрирована возможность значительного сокращения количества датчиков без потери информации о спектре пространственных корреляций.

Рис. 2. Эквидистантная антенна (а) и оптимизированная по числу датчиков для измерения корреляции (b).

В четвёртой главе описана серия экспериментов по измерению длинноволновой области частотно-волнового спектра турбулентного пограничного слоя на поверхности стенки канала малошумной аэродинамической установки П- Московского комплекса ЦАГИ. Измерения проводились на скоростях 45 и 65 м/с.

Толщина пограничного слоя составляла 11 мм.

Рис. 3. Схема модели. Цифрами обозначены: 1) стенки рабочей части аэродинамической трубы;

2) система крепления и позиционирования модели;

3) модель, закреплённая в рабочем проёме;

4) натянутая мембрана, возбуждаемая пограничным слоем;

U - набегающий турбулентный поток в аэродинамической трубе;

L1 и L2 - длина и ширина колеблющейся части мембраны.

Была изготовлена серия моделей, основой которых были натянутые мембраны со свободной поверхностью прямоугольной формы. Мембраны различались по геометрическим размерам, материалу, толщине и силе натяжения. Эти модели поочерёдно закреплялись в рабочем проёме аэродинамической трубы так, чтобы поверхности мембраны и стенки трубы были заподлицо (рис. 3). Колебания мембраны измерялись при помощи интенсиметрического зонда, то есть согласованной парой микрофонов, которая измеряет давление и градиент давления.

Рис. 4. Спектр колебательной скорости центра одной из мембран при различных скоростях потока в аэродинамической трубе.

После обработки данных строились спектры колебательной скорости мембран, на которых имелись заметные резонансные пики (рис. 4). По положению, высоте и ширине этих резонансных пиков определялись добротность, характерная поверхностная масса и вычислялись уровни частотно-волнового спектра.

Продольное волновое число резонанса вычислялось, исходя из длины мембраны и номера продольной моды, который определялся методом Хладни. Поперечное волновое число считалось равным нулю, так как поперечные размеры всех мембран значительно превосходили интегральный поперечный масштаб корреляции. Измерения проводились только на первой поперечной моде и на нечётных продольных модах, так как интенсиметрический зонд устанавливался над геометрическим центом мембран. Обрабатывалось по 3-5 мод с каждой мембраны. При дальнейшем увеличении частоты падала добротность, и проявлялись высшие поперечные моды. Самые низкие волновые числа, на которых удалось провести измерения, определялись максимальной силой натяжения мембраны, которая, в свою очередь, зависела от механической прочности моделей.

Результаты эксперимента приведены на рис. 5.

Рис. 5. Измеренный частотно-волновой спектр. Линиями соединены различные резонансы одних и тех же мембран.

В Заключении перечислены основные результаты и выводы диссертационной работы. Проведено комплексное исследование длинноволновой области частотно волновых спектров пристеночных пульсаций давления турбулентного пограничного слоя:

1. В результате выполнения серии экспериментов по определению частотно волновых спектров пристеночных пульсаций давления на гладкой стенке с помощью прямоугольных мембран получены новые результаты в широкой области частот и волновых чисел.

2. Проведен аналитический и численный анализ источников ошибок, возникающих при измерении частотно-волновых спектров пристеночных пульсаций давления турбулентного пограничного слоя. Показано, что пренебрежение эффектами влияния дискретности выборки и ограниченности апертуры приводит к существенному искажению определяемых спектральных уровней длинноволновых компонент поля пульсаций давления.

3. Установлено, что увеличение количества датчиков при измерениях не всегда приводит к увеличению точности измеренных значений частотно-волнового спектра. Определены критерии, при выполнении которых увеличение количества датчиков приводит к увеличению ошибок измерений.

4. На основании проведенного анализа сформулированы требования к конфигурациям антенн датчиков и предложены оригинальные многоэлементные антенные решетки, позволяющие получить оптимальную систему для проведения измерений с максимальной точностью.

5. Определены корректирующие функции для датчиков давления, применяемых при экспериментах, со сложной формой чувствительной поверхности.

6. Построен методологический фундамент под задачей экспериментального определения частотно-волнового спектра пристеночных пульсаций давления турбулентного пограничного слоя.

ЛИТЕРАТУРА 1. Котов А.Н. Разработка методики измерения длинноволновых компонент частотно-волнового спектра турбулентных пристеночных пульсаций давления. // Учёные записки ЦАГИ. – М.: 2009, Т. 40. №2. – С. 87–95.

2. Котов А.Н. Влияние конфигурации защитной сетки чувствительного элемента приёмника на его пространственную разрешающую способность при измерении пристеночных турбулентных пульсаций давления. // Труды ЦАГИ. – М.: 2009. Вып. 2681. Авиационная акустика. – С. 115–124.

3. Котов А.Н. О пространственной разрешающей способности приемника при измерениях пристеночных турбулентных пульсаций давления. // Программа 47-й научной конференции МФТИ. – М.: 2004. – С. 88.

4. Котов А.Н. Методы измерения частотно-волновых спектров пульсаций давления турбулентного пограничного слоя и численная модель для их проверки. // Труды 48-й научной конференции МФТИ. – М.: 2005. Ч. VI. – С. 13.

5. Котов А.Н. Проблемы определения длинноволновых компонент поля пристеночных пульсаций давления в турбулентном пограничном слое. // Программа 49-й научной конференции МФТИ. – М.: 2006. – С. 94.

6. Котов А.Н. Методологические вопросы измерения частотно-волновых спектров пристенных турбулентных пульсаций давления. // Тезисы докладов на семинаре «Авиационная акустика». – М.: 2007. – С. 63.

7. Котов А.Н. Рациональные конфигурации антенн приёмников для измерения одномерных и двумерных частотно-волновых спектров пристеночных турбулентных пульсаций давления. // Программа 50-й научной конференции МФТИ. – М.: 2007. – С. 111.

8. Котов А.Н. Методологический обзор методов длинноволновой фильтрации применительно к проблеме измерения частотно-волнового спектра пристеночных турбулентных пульсаций давления. // Труды 51-й научной конференции МФТИ. – М.: 2008. Ч. VI. – С. 37.

9. Котов А.Н. Анализ ошибок при измерении частотно-волнового спектра пристеночных пульсаций давления турбулентного пограничного слоя. // Тезисы докладов всероссийской открытой конференции по Авиационной акустике. – М.:

2009. – С. 53.

10. Котов А.Н. Корреляция набегов фазы поля пристеночных турбулентных пульсаций давления на смежных интервалах наблюдения. // Труды 52-й научной конференции МФТИ. – М.: 2009. Ч. VI. – С. 107.



 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.