Розенберг Л.Д. Физика и техника мощного ультразвука. Книга 1. Источники мощного ультразвука OCR
Подождите немного. Документ загружается.
нием
угла
р
потенциальная
энергия
возрастает,
а
кинетическая
.Умень
шается,
что
объясняется
изменением
скорости
струи
за
скачком.
Если
за
прямым
скачком
всегда
имеет
место
дозвуковое
течение
(М
2 < 1),
то
при
косом
скачке,
при
надлежащем
выборе
угла
р,
оно
может
быть
сверхзву
ковым
и
приближаться
к
значению
М
1
•
Так
как
колебания
скачка
уплот
нения
зависят
в
основном
от
величины
кинетической
энергии,
то,
естест
венно,
следует
стремиться
повысить
величину
кинетической
энергии
за
~--------------ФZ!О
--------------~
Рис.
42.
Конструн:ция
излучателя
ГСИ-1
с
носым
СRаЧRОМ
1 -
норпус;
2 -
штуцер
с
соплом;
3 -
резонатор;
4 -
плунжер
для
настройни
резонатора;
5 -
ноничесний
рассенатель;
б
-
отражатель
счет
потенциальной.
Этого
можно
достигнуть
при
малых
углах
8,
когда
р
не
превышает
600.
Реально
угол
р
не
может
быть
уменьшен
ниже
45
О,
по
этому.
при
указанном
диапазоне
изменения
р
для
М
1 = 1,7
кинетическая
энергия
за
скачком
может
составлять
от
46
до
78 %
полной
энергии.
Так
как
при
торможении
струи
в
резонаторе
наблюдаются
дополнительные
потери
энергии
на
трение,
то
реальные
значения
кинетической
энергии,
могущей
преобразоваться
в
акустическую,
значительно
ниже.
61
Таким
образом,
одна
причина
повышения
К.П.д.
излучателя
с
косым
скачком,
по
сравнению
с
К.П.д.
генератора
Гартмана,
по-видимому,
заключается
в
повышении
кинетической
энергии
за
скачком
инекотором
уменьшении
потерь
в
самом
скачке.
Кроме
того,
возникновение
колеблю
щегося
косого
скачка
(при
размерах
области
генерации,
сравнимых
с
длиной
излучаемой
волны)
может
привести
к
увеличению
нормальной
со
ставляющей
скорости на
поверхности
струи
и,
следовательно,
к
повыше
нию
отдачи
акустической
энергии
за
ее
пределы.
Поэтому
замена
прямого
скачка
косым,
вероятно,
может
улучшить
условия
излучения
в
окружаю
щую
cpel);Y.
.
-/155
/55
/45
/35
f I I I : ' I
1,
'i
I!
----...;
1·
I +- '
1--~-J-'--f1-!_~~
f"I'l
~~П
",J~.~
- r,\j
'}
, ! v
,,"гу,
1.-
, ,
';..,.
,-,
'1
r I I I '
};."~
I
li
I
~
, u
l
)
~
(l,5
2,0
2,5
3,0
.3.5
40
Риt..
43.
Влияние
давлеnия
воздуха на
работу
излучателя
ГСИ-1
Интересно
отметить,
что
излучатель
с
косым
скачком
уплотнения
мо
жет
работать
при
очень
низких
перепадах
давления,
в
частности
модель
Куркина
испытывалась
при
Р
о
= 1
аmu.
Наши
измерения,
проведенные
на
несколько
видоизмененной
конструкции
излучателя
(ГСИ-1),
показан
ной
на
рис.
42,
в
которой
эллиптический
корпус
заменен
круглым
1
и
использована
система
для
естественного
выброса
отработанного
газа
(об
этом
подробно
см. в
гл.
6),
показали,
что
изменение
излучен;ия
в
зависи
мости
от
давления
воздуха
не
является
линейной
функцией.
На
рис.
43
приведена
запись
величины
звукового
давления
по оси
излучения
при
мед
ленном
изменении
давления
РОВ
сопле.
Выборочные
измерения
мощности
излучения
для
нескольких
значений
Р
о
показали,
что
устойчивое
излуче
ние
начинается
при
0,6
аmu,
т.
е.
при
давлении
ниже
критического.
Гра
ницей
между
двумя
режимами
генерации,
соответствующими
околозвуко
вому
и
сверхзвуковому
течениям,
служит
давление
1,5
аmu,
причем
эта
граница
в
зависимости
от
настройки
несколько
смещается.
При
работе
излучателя
во
второй
области
генерации,
например
при
Р
О
= 2,5
аmu,
акустическая
мощность
приблизительно
в
пять
раз
больше,
чем
при
Р
0=0,9
аmu,
но
К.п.Д.
излучателя
немного
выше
при
втором
режиме
ра
боты.
Начало
генерации
в
излучателе
ГСИ-1
(разработанном
в
сотруд
ничестве
с
Научно-исследовательским
технологическим
институтом)
при
перемещении
рассекателя
соответствовало
полностью
введенному
в
сопло
рассекателю,
т.
е.
когда
излучатель
работал
в
режиме
стержневого
свистка.
Здесь
следует
отметить
общность
процессов,
происходящих
в
из
лучателях
с
коническим
рассекателем
и
со
стержнем
(об
этом
см.
в
гл.
5).
Стержень
в
излучателе,
по-видимому,
можно
представить
как
своеобраз
ный
вырожденный'
конус
с
углом
8 =
00.
В
заключение
следует
указать,
что,
хотя
некоторые
результаты
иссле
дований
В.
П.
Куркина
и
сделанные
им
выводы
нуждаются
в
проверке,
1
Рассуждения
В.
П.
Rуркина
о
необходимости
эллиптической
формы,
чтобы
не
деформировать
косой
скачок
уплотнения,
не
прецставляются
нам
достаточно
убеди
тельными.
62
его
работы
по
теоретическому
обоснованию
излучателей
с
косым
скачком
представляют
несомненный
интерес.
В
частности,
он
первый
использовал
для
некоторых
энергетических
расчетов
is-диаграмму
применительно
к
газоструйным
свисткам
[68]. .
§
5.
Мощность
и
RОдффицпент
ПО.J.Iезноl'О
действия
Как
уже
отмечалось
в гл.
2,
измерения
акустической
мощности
сопряжены
с
большими
трудностями
и
не
исключают
возможности
получе
ния
за~ышенных
результатов
из-за
проведения
измерений
в
незаглушен
ных
помещениях
и
в
ближнем
поле
излучателя.
Если
тщательно
выпол
ненные
и
проверенные
несколькими
методами
измерения
Гартмана,
не
смотря
на
отсутствие
в
то
время
современной
измерительной
электронной
аппаратуры,
никаких
сомнений
не
вызывают,
то
этого,
к
сожалению,
нель
зя
сказать
о
целом
ряде
более
поздних
работ.
Большинство
авторов
под
к.п.д.
излучателя
подразумевают
так
на
зываемый
механо-акустический
к.п.д.,
т. е.
коэффициент,
показывающий
эффективность
преобразования
кинетической
энергии
струи
в
энергию
звуковых
колебаний.
Однако
такой
к.
п.
д.
не
учитывает
реальных
затрат
энергии
на
сжатие
воздуха.
Тцк
как
в
зависимости
от
конечного
давления
р
о,
необходимого
для
нормальной
работы
того
или
иного
типа
излучате
ля,
эти
затраты
могут
существенно
меняться,
Грегуш
[69]
предложил
для
оценки
эффективности
аэродинамических
преобразователей
использовать
электроакустический,
или
полный,
к.п.д.
Тогда
излучатели,
работающие
при
малых
перепадах
давления,
будут иметь
более
высокий
к.п.д.
по
сравнению
с
излучателями,
работающими
при
высоких
давлениях,
так
как
в
общий
к.п.д.
войдет
эффективность
преобразования
электрической
энер
гии
в
энергию
сжатого
газа,
а,
как
известно,
компрессоры
имеют
более
низкую
эффективность,
чем,
скажем,
вентиляторы
высокого
давления.
На
наш
взгляд,
предложение
Грегуша
вполне
разумно, особенно
если
рассматривать
к.п.д.
не
отвлеченно,
а
с
позиций
промышленного
исполь
зования
того
или
иного
типа
излучателя.
Однако
ввиду
того,
что
газо
струйные
излучатели
типа
Гартмана
и
его
модификации
всегда
работают
при
Ро>О,9
аmu
(в
том
числе
и
излучатель
с
косым
скачком)
и
требуют
в
связи
с
этим
использования
компрессора,
то
для
сравнения
таких
преоб
разователей
между
собой
вполне
допустимо
применять
не
полный,
а
меха
но-акустический
к.п.д.,
который
мы
и
будем
использовать
в
дальнейшем
.
.
Акустическая
мощность
классического
генератора
Гартмана
может
быть
рассчитана
в
зависимости
от
диаметра
сопла
и
рабочего
давления
по
формуле
(44).
Р.
и.
ПIкольникова
[32]
получила
для
излучателей
с
К
= 1 ,66
увеличение
мощности
по
сравнению
с
генератором
Гартмана
в
сред
нем
в
3,35
раза.
Поэтому
для
таких
излучателей
формула
для
вычисления
мощности
должна
иметь
вид:
ТТ1
а
=
985d~-VРf)-О,9
вт.
(56)
Так
как
акустическая
мощность
сильно
зависит
от
режима
настройки
из
лучателя,
то
формулы
(44)
и
(56)
дают
предельно
достижимые
значения
мощности
и
пользоваться
ими
можно
лишь
для
ориентировочных
расчетов.
Для
определения
к.п.д.
излучателя
при
различных
параметрах
настрой
ки
следует
производить
измерение
мощности
одним
из
методов,
описанных
в гл.
2.
Наряду
с
W
а
для
расчета
к.п.д.
излучателя
необходимо
знать
еще
мощность
C'l'руи
w.
Гартман
вычислял
для
этого
работу
L
аД
,
затраченную
на
адиабатическое
сжатие
газа
от
давления
Р
1
(при
температуре
Т
1
63
и
объеме
V
1
)
ДО
давления
Р
о
,
при
температуре
Т2:
у-l
-
L
ад
= 1 1 1
P1V
1
[(
~:
)
у
-1
J.
ДЛЯ
воздуха
с
Р
1 =
Р
а
= 1
аm;м,
L
ад
= 285 [(1
-+-
р
о
)о.29
-1]
вт·сеfi,/г,
где
Р
О
-
избыточное
давление
в
сопле
излучателя.
Учитывая,
что
л:d
2
W =
т
МL
ад
=18,8d~Lад
(Р
О
+ 1)
вт,
(57)
(58)
(59)
где
М
-
масса
вытекающего
воздуха
через
сопло
площадью
1
с;м,2,
К.П.д.
определяется
как
W
a
5,5
~Р
о
-О,9
т]
= W =
(1
+
Р
О
)
[(1 +
р
о
)о.29_1]·
(60)
Из
формулы
(60)
видно,
что
при
повышении
рабочего
давления,
наря
ду
с
увеличением
мощности
излучения,
увеличивается
и
энергия
струи,
причем
растет
она
быстрее,
чем
акустическая
мощность;
поэтому
К.П.д.
излучателя
падает.
К
подобным
выводам
можно
прийти,
исходя
из
зави
симостей,
изображенных
на
рис.
40,
хорошо
объясняющих
снижение
той
части
энергии
струи
(кинетической)
за
скачком,
которая
может
быть
пре
образована
в
акустическую
энергию.
С
точки зрения
повышения
К.П.д.
следует
стремиться
использовать
такие
конструкции,
которые
способны
работать
при небольших
перепадах
давления.
Гартман
при
определении
К.П.д.
излучателя
считал
температуру
газа
в
сопле,
равной
температуре
газа
при
сжатии
Т2.
Как
было
отмечено
в
ра
боте
[70],
реальная
энергия
струи
при
выходе
из
сопла
существенно
ниже
из-за
того,
что
по
пути
от
компрессора
к
излучателю
газ
охлаждается
(до
температуры
Т
о),
Поэтому
работа
расширения
газа
равна
у-l
L
ад
= 1 1 1
RT
o
[
1-
(
~:
)
У]
fi,гМ/fi,г.
(61)
Подставляя
в
выражение
для
Wa;:J;
значения
L
ад
и
весового
расхода
возду-
ха,
можно
получить
у-l
8
47
21РОУТО[1
(Ра)У]
W
ад
=
,ас
1-1
-,Р
о
вт.
(62)
в
последних
формулах
давление
РаИ
Р
о
выражено
в
абсолютных
зна
чениях
(аmа).
Учет
изменения
температуры
воздуха
в
сопле
приводит
R
тому,
что
В
соответствии
с
(62)
К.П.д.
оказывается
приблизительно
в
1,5
ра
за
больше,
чем
вычисленный
по
формуле
(60).
Так
как
формула
(62)
вы
ведена
для
реальных
условий
преобразования
энергии
струи
в
акустиче
скую,
то
для
вычисления
механо-акустического
к.П.д.
следует
пользо
ваться
именно
ею,
предварительно
измерив
температуру
То.
Очевидно,
что
величина
Т],
полученная
Гартманом,
приближается
к
значению
полного
К.П.д.
Наряду
с
формулой
(62)
можно
пользоваться
упрощенным
выражени
ем
для
мощности,
потребляемой
при
изотермическом
сжатии
газа
[71
J:
И/ИЗ
=
1,8·10-
4
Т
о
Q
IgP
o
fi,вm
(63)
(здесь
Q -
расход
воздуха,
u,м3/
час
)
или
преобразоваНIJОЙ
формулой,
ко
торая
получается
подстановкой
вместо
Q
весового
расхода воздуха
(нг/сек)
в
соответствии
с
формулой
(14):
W
из
=
158d~~VTo'PolgPo
вт;
(64)
здесь
т
о
и
Р
о
-
соответственно
абсолютные
значения
температуры
(ОК)
и
давления
(ата),
d
c
выражен
в
сл;
~
-
коэффициент
расхода
(см.
рис.
8).
Последние
формулы
дают
хорошее
совпадение
(разница
составляет
........
3 %)
с
выражением
(62)
1.
Соглашаясь
с
выводом
авторов
работы
[70]
о
том,
что
ни
одна
из
при
веденных
формул
не
является
строго
точной,
так
как
Rce
они
не
учитыва
ют
необратимости
процессов,
происходящих
при
расширении
газа
в
излу
чателе,
мы
хотим
обратить
внимание
на
другую
сторону
вопроса.
Совер
шенно
очевидно,
что
бессмысленно
заниматься
дальнейшими
незначитель
ными
уточнениями
выражений
для
второй
составляющей,
входящей
в
формулу
для
к.П.Д.,
до
тех
пор,
пока
не
будет
достигнута
надлежащая
точность
в
измерениях
акустической
мощности
излучателей.
Чтобы
дать
некоторое
представление
о
величинах
к.П.Д.,
полученных
различными
авторами,
приводим
в
табл.
12
краткую
сводку
данных,
от
носящихся
к
разновидностям
генератора
Гартмана
(приведены
оптималь
ные
значения
'У).
Как
видно
из
таблицы,
для различных
типов
излучате
лей
к.П.Д.
очень
сильно
отличаются,
колеблясь
в
пределах
3,7-30,3
% .
т
а б
л
ид
а
12
Сопоставление
эффективности
газоструйных
излучателей
разных
КОНСТРУКЦИЙ
Тип
I1З.
т
гучатеШI
d~.
I
к
1
Р
о
•
атu
k
~гц
I
W
a
.
вт
мм
Генератор
Гарт-
4,0
1
мана
[30]
3,7
12,6
80
ГС-5
[52]
9,1
1,05
2,9
6,6
1620
ГС-8
[51, 70]
3,5
1
2,3
9,4
39,9
Нерегулируемый
свнсток
[32]
7,0
1,64
3,5
8,3
955
RB-1 [5]
4,2
4,2
8,0
10q
5-свистковая
си-
5
1,2
рена
[27]
3,44
10,5
310
Излучатель
с
ко-
10
1,2
сым
скачком
[31]
3,8
5,3
1400
I
~.
%
1
3,7
30,3
6,7
25
4,3
11
10,4
Примечание
"1
вычислена
по
формуле
(60)
W
вычислена
в
со
ответствии
с
фор
мулой
(62)
То
же
w
вычислена
по
формуле
(63)
w
а
пересчитана
на
один
свисток
При
работе
без
ко
нического
рассе-
кателя
Причины
такого
большого
расхождения
мы
уже
неоднократно
назы
вали,
хотя
несомненно,
что
присутствие
вторичной
резонансной
камеры,
а
также
повышение
коэффициента
К,
может
значительно
увеличить
излу
чаемую
мощность,
а
следовательно,
и
к.
п.
д.
устройства.
В'
настоящее
время
еще
нет
конкретных
данных
о
влиянии
вторичного
резонатора,
рас-
1
Указание
авторов
работы
[70]
на
то,
что
использование
формулы
(63)
приво
дит
к
завышенным
значениям
к.
п.
д.,
неверно.
Этот
вывод
сделан
без
учета
того,
что
В
конических
СОШIaХ
~
=!=
1
[В
(63) Q -
измеренный
расход
газа,
поэтому
коэффициент
~
автоматически
учтен].
5
ИСТОЧНИl\И
ультразвука
65
положенного
непосредственно
на
сопле
[40
J,
однако
его
положительное
влияние
на
к. п.
д.
излучателя
несомненно.
.
В
заключение
оценим
предельно
возможное
значение
к.
п.
д.
газо
струйного
излучателя
Гартмана,
считая
что
вся
кинетическая
энергия
струи
за
скачком
преобразуется
в
акустическую
энергию.
Из
формулы
(55)
или
графиков,
представленных
на
рис.
40,
б,
видно,
что
для
реально
применяе
мых
в
излучателях
числах
Маха
эта
величина
лежит
в
пределах
20-45
%,
причем
большие
величины
У]
соответствуют
меньшим
значениям
М
l'
Оче
видно,
что
достичь
такого теоретического
значения
к. п.
д.
на
практике
невозможно,
так
как
в
формуле
(55)
не
учитывалось
внутреннее
трение
в
газе,
трение
газа
о
стенки
резонатора
и
потери
энергии
при
отражениях
от
дна
резонатора
и
скачка
уплотнения.
Глава
5
СТЕРЖНЕВЫЕ
ИЗЛУЧАТЕЛИ
§
1.
ИаeJIучатеeJIЬ
Гартмана
со
стаБИeJIиаатора:ии
Генератор
Гартмана,
кроме
низкого
к.
п.
д.,
имеет
еще
один
сущест
венный
недостаток
-
малую
устойчивость
по
отношению
к
небольшим
из
менениям
давления
воздуха
и
расстояния
сопло-резонатор.
Нестабиль
ность
работы,
естественно,
затрудняет
использование
-таких
излучателей
в
промышленных
условиях,
в
связи
с
чем
еще
в
40-х
годах
в
СIIТА
были
предприняты
попытки
повысить
стабильность
генерации
свистков
[34J.
При
исследовании
излучателя
с
соплом
максимального
расхода
было
обнаружено,
что
введение
(соосно
со
струей)
круглой
шайбы
или
подведе
ние
твердых
предметов
с
двух
сторон
к
поверхности
струи
повышает
ста
бильность
генерации
и
способствует
увеличению
интенсивности
излуче
ния
на
10-12
дб.
Одновременно
наблюдалось
небольшое
снижение
часто
ты.
Стабилизирующее
действие
появлялось
в
основном
при
малых
давле
ниях
воздуха
(ниже
1,7
аmu).
Наиболее
интересные результаты
были
получены
при
применении
ме
таллического
стержня,
расположенного
по
оси
струи.
Оказалось,
что
на
личие
стержня
вызывает
генерацию
почти
при
всех
значениях
параметра
l.
Кроме
того,
при
практически
неизменной
интенсивности
излучения
расход
воздуха
Q
существенно
уменьшался.
В
результате
этого
повышал
ся
к.
п.
д.
излучателя.
Преимущества
стержневой
системы
наиболее
силь
но
сказываются,
когда
используются
тонкие
стержни
и
низкие
давления.
При
больших
давлениях
были
получены
отрицательные
результаты.
Гартман
[64],
заинтересовавшись
этими
исследованиями,
предложил
использовать
стержень
для
крепления
резонатора.
Оказалось,
что
наря
ду
с
уже
отмеченными
преимуществами
стержневой
свисток
имеет
еще
одно
интересное
качество:
возможность
генерации
при
давлениях
ниже
критического,
т. е.
при
Р
о
< 0,9
аmu;
иначе
говоря,
свисток
способен
ра
ботать
при
дозвуковых
скоростях
истечения.
Некоторые
результаты,
по
лученные
при
работе
стержневого
свистка
с
d
c
= d
p
= h = 6
мм
и
диа
метре
стержня
2
мм,
приведены
в
табл.
13
[641.
По
данным
Гартмана,
мощность
излучения
стержневого
свистка
ока-
залась
пропорциональной
не
YP
o-0,9,
как
для
обычного
генератора,
а
-v
р
0-0,3.
Однако
увеличения
к. п.
д.
не
наблюдалось.
66
Т
а
б
л и
ц
а
13
РеЗУ.'1ьтаты
исследований
стержневой
RОНСТРУRЦllll
излучателя
Р
о
•
аmu
0,5
4,9
36,3
9,45
270
3,5
1,0
4,9
36,8
29,0
710
4,1
1,5
5,7
38,0
39,2
1270
3,1
2,0
6,1
37,7
68,8
1910
3,6
2,9
4,0
31,5
121
3200
3,8
Гартман
предпринял
попыт!\у,
используя
метод
Теплера,
выяснить
механизм
работы
стержневого
свист!\а
!\а!\
при
до!\ритичес!\их,
та!\
и
сверх
!\ритичес!\их
давлениях
при
очень
низ!\их
частотах
(2
гц).
Полученные
результаты
подтвердили
возможность
работы
при
Р
о
= 0,5
аmu
и
даже
при
более
низ!\их
давлениях.
На
рис.
44
по!\азана
схема
стру!\
туры
струи
при
низ!\очастотных
ос
цилляциях,
при
давлении
воздуха
в
сопле
3
аmu
в
фазе
разгруз!\и
резо
натора.
Слева
расположено
основное
сопло,
а
справа
-
та!\
называемое
пульсационное
сопло
(резонатор),
соединенное
с
ем!\остью
большого
размера
(10
л),
предназнаtrенной
для
снижения
частоты
пульсаций.
Резуль
тирующий
пото!\
воздуха,
образован
ный
при
стол!\новении
основной
и
пульсационной
струй,
имеет
!\оло!\о
лообразную
форму
и
направлен
в
сто-
/(олеООНlIЯ
~
eOnn~Homop
----------------
Рис.
44.
Схематическое
изображение
структуры
струи
при
низкочастотных
пульсациях
рону
пульсационного
сопла.
Rосой
с!\ачо!\,
возни!\ающий
в
зоне
стол!\но
вения,
обозначен
W
I
;
он
совершает
!\олебательные
движения
вдоль
оси
струи,
тогда
!\а!\
поверхность
струи
!\олеблется
в
перпенди!\улярном
на
правлении.
За
первым
с!\ач!\ом
наблюдается
еще
нес!\оль!\о
!\осых
с!\ач
!\ов,
что
у!\азывает
на
сверхзву!\овой
хара!\тер
течения.
В
первый
момент
разгруз!\и
у
пульсационного
сопла
возни!\ает
вторая
(слабая)
ударная
вол
на
W
П
,
!\оторая
движется
по
направлению
!\
основному
соплу,
но
вс!\оре
исчезает.
Гартман
отметил,
что
пульсационные
явления
в
струе
возни!\а
ют
начиная
с
не!\оторого
значения
[;
при
меньших
расстояниях
между
соплами
подобных
осцилляций
не
наблюдается.
При
давлениях
меньше
!\ритичес!\ого
(Р
О
<
0,9
аmu)
ударные
волны
вырождаются,
но
в
не!\ото
ром
диапазоне
расстояний
l
!\олебания
струи
сохраняются.
Проведенные
исследования
не
позволяют
представить
полную
!\арти
ну
генерации
зву!\а
в
стержневом
свист!\е,
одна!\о
отмеченные
особенно
сти
работы
та!\ой
!\онстру!\ции
по
сравнению
с
обычным
генератором
у!\а
зывают
на
положительную
роль
!\осых
с!\ач!\ов
по
сравнению
с
прямым.
Напрашивается
вывод
об
общности
процессов,
происходящих
в
стержне
вом
излучателе
и
излучателе
с
!\осым
с!\ач!\ом.
Следует
у!\азать,
что
если
для
обычных
излучателей
Гартмана
ма!\си
мум
хара!\теристи!\и
направленности
лежит
под
уголом........,
900
!\
оси
соп
ло-резонатор,
то
для
аналогичной
системы
со
стержнем
этот
ма!\симум
располагается
под
углом
450
(и
направлен!\
соплу
излучателя).
Та!\ая
5*
6'7
деформация
характеристики
направлеННОl:ТИ
может
быть
объяснена
изме
нением
направлений
колебаний
поверхности
струи
стержневого
излуча
теля,
показанных
на
рис.
44
стрелками.
По-видимому,
возникновение
ко
сых
ударных
волн
приводит
не
только
к
изменению
направления
колеба
ний
поверхности
струи,
но
и
способствует
повышению
амплитуды
этих
колебаний,
в
результате
чего
даже
при
незначительных
перепадах
давле
ния
удается
получить
устойчивую
и
интенсивную
генерацию.
Таким
образом,
уже
первые
исследования
показали,
чго
стержневые
свистки
обладают
целым
рядом
преимуществ
по
сравнению
со
своим
клас
сическим
прототипом
(простота
конструкции,
меньший
расход
воздуха,
большая
устойчивость
работы
при
изменениях
давления
и
параметра
[).
Нроме
того,
возможность
работы
при
низких
давлениях
позволяла
на
деяться
на
увеличение
к.
п.
д.
за
счет
снижения
значения
М
1
И
повыше
ния
кинетической
энергии
струи
при
р
< 900.
Все
это
привело
к
тому,
что
в
последние
годы
для
различных
технологических
целей
стали
разра
батываться
почти
исключительно
стержневые
излучатели.
§
2.
ИССe1Iедовании
пространствеввоlt
ОСЦИe1IeJlИЦИИ
струи
В
последнее
время
появился
целый
ряд
работ,
посвященных
исследо
ваниям
различных
модификаций
газоструйных
излучателей
стержневого
типа.
Однако
до сих
пор
еще
нет
сообщений
о
методике
расчета
такого
ро
да
генераторов
и,
в
частности,
о
зависимости
частоты
излучения
от
раз
личных
параметров
настройки
и
конструктивных
особенностей
устрой
ства.
В
процессе
разработки
газоструйного
излучателя,
предназначенного
для
промышленного
использования,
мы
измерили
параметры
как
свобод
ной
струи,
так
и
деформированной
струи,
в
которую
был
введен
централь
ный
стержень,
а
также
отражающая
поверхность.
Нак
показали
полученные
результаты,
гидродинамические
характеристики
струи
в
значитель
ной
мере
определяют
акустические
характеристики
газоструйного
излу
чателя.
Измерения
параметров
струи
проводились
с
помощью
пневмометри
ческих
трубок
диаметром
1
ММ,
измеряющих
полный
напор
и
статическое
давление
[72].
Наибольший
интерес
представляют
распределения
давле
ния
вдоль
оси
струи,
так
как
именно
они
определяют
рабочую
частоту
излучателя
и
возможный
диапазон
ее
изменения.
Проведенная
проверка
показала,
что
характер
распределения
давления
вдоль
оси
слабо
зависит
от
радиальной
координаты,
и
поэтому
измерения
можно
проводить
на
любом
расстоянии
от
центра
струи.
Но
по
мере
приближения
к границе
струи
абсолютные
значения
давлений
уменьшаются
и
проведение
измере
ний
усложняется,
поэтому
мы
проводили
измерения,
располагая
измери
тельную
трубку
в
центральной
части
струи,
на
расстоянии
1
мм
от
поверх
ности
стержня.
На
рис.
45
приведены
графики
распределения
статического
давления
в
струе
для
сопла
диаметром
14
ММ
со
стержнями
различной
толщины
при
давлении
воздуха
Р
о
= 3
аmu.
Нак
видно
из
приведенных
графиков
(аналогичные
измерения
были
проведены
для
dc,
изменявшихся
в
преде
лах
5-14
ММ),
при
увеличении
диаметра
стержня
период
пространствен
ной
осцилляции
струи
сокращается.
Таким
образом,
при
одинаковом
диаметре
на
выходе
кольцевое
сопло
(со
стержнем)
дает
уменьшенную
длину
ячейки
по
сравнению
с
круглым
соплом.
С
другой
стороны,
длина
ячейки
при
одинаковой
ширине
зазора
на
выходе
из
сопла
существенно
возрастает
для
кольцевой
струи.
Так,
например,
для
d
c
= 14
ММ,
d
CT
= 6
ММ
ширина
зазора
составляет
d
c
-
d
CT
t = 2 =
4мм,
а
длина ячейки
(см.
рис.
45)
до
= 17
ММ.
Если
же
88
рассчитать
длину
ячейки
по
формуле
(6)
для
dc=t
= 4
,м,м,
то
оказывает
ся,
что
~
о
= 6,5
,м,м.
Причина
этих
изменений
ясна
из
СОПОС1авления
схематических
изоб~
ражений
формирования
ячейки
в
различных
случаях,
приведенных
на
рис.
46.
Присутствие
стержня
не
изменяет
углов
Маха
для
волн
разреже
ния,
поэтому
при
неизменном
давлении
на
срезе
сопла
конус
разрежения
t1
ст
=
/ОХН
Р',кг/сн
2
0,15
1/3
0,15
-0,/5
0,3
-0,3
0,15
--~----~----r---~~------~----~--~~----~O
0,3
-0,15
0,15
-0,15
0,.3
-
0,.3
о,
15
0,3
-о,
15
0,15
-0,3
Or---~--~------~~----~~~-------,~-----
.z;
их
-0,15
-0,3
Рис.
45.
Распределение
статического
давления
в
струе
при
~различ
ных
диаметрах
центрального
стержня
d
c
= 14
,м,м,
Р
О
= 3
атu
1
по-прежнему
лежит
в
пределах
углов
/-11
= 900,
/-1n
= arcsin
М
2
'
как
и
в
случае
круглого
сопла.
Однако
при
падении
на
жесткую
поверхность
в
точке
В
волна
с
/-1i
отражается
снова
как
волна
разрежения, и
только
на
границе
струи
(точка
п)
трансформируется
в
волну
сжатия.
Последняя
претерпевает
еще
одно
отражение
на
поверхности
стержня
(Е)
и
после
это
го
достигает
конца
ячейки,
формируя
последнюю.
Так
же
отражаются
все
волны,
за
исключением
последней
волны
конуса
разрежения
с
углом
/-1n,
которая
претерпевает
лишь
одно
отражение
от
стержня.
Конечно,
69
реальная
картина
значительно
сложнее,
чем
рассмотренная
упрощенная
модель
формирования
ячейки,
так
как
в
действительности
волны
разре
жения
и
сжатия
при
взаимодействии
друг
с
другом
искривляются.
Вслед
ствие
этого
ячейка
становится
несимметричной
относительно
линии,
про
веденной
перпендикулярно
оси
струи
через
точку
Ll
0/2,
а
зависимость
"ММ
22
го
18
а
/0
14
12
10
8
б
4
2
г-------~--------;-------_,
-------
1-------+-_--+-----+'
~dс~~О
/
/
/ I
гнн
J
о
7
8
.9
10
11
о
4-
8
Рис.
46.
Влияние
стержня
на
деформа
цию
ячеЙRИ
а
-
сопло
диаметром
d
c
без
стержня;
б-соп·
ло
со
стержнем
при
d
C1
= d
e
;
в
-
Сопло
без
, d
C1
- d
CT
стержня при
d
c
= 2
РIIС.
47.
Зависимость
длины
первой
ячей
RИ
в
Rольцевой
струе
от
диаметров
сопла
и
стержня
Р
О
= 3 ати
длины
ячейки
кольцевой
струи
от
d
CT
оказывается
нелинейной,
хотя на
основании
рис.
46
можно
было
бы
предположить
линейную
зависимость
Ll
о
от
(d
C
- d
cT
).
Распределения
статического
давления
вдоль
струи,
снятые
для
раз
личных
сочетаний
диаметров
сопел
и
стержней
(d
C
= 5 - 14
.м.м,
d
CT
= 2 -
11
.м.м),
позволили
найти
связь
между
длиной
первой
ячейки
и
диа
метром
сопла.
На
рис.
47
приведена
такая
зависимость
для
Ро=3
аmu.
Аналогичные
графики,
полученные для
других
значений
давления
в
пре
делах
1,5-4
аmu,
позволили
вывести
эмпирическую
формулу
для
длины
ячейки
при
кольцевом
сопле
[53],
справедливую,
однако,
лишь
для
ука
занного
диапазона
изменения
параметров
d
c
и
d
CT
:
Ll
o
=
(1,1ac--O,08a~T--O,15aCT)
YPo--О,9
.м.м.
(65)
Линейные
величины,
входящие
в
формулу
(65),
следует
выражать
в
.м.м.
При
d
CT
=
О
эта
формула
переходит
в
(6),
выведенную
для
ионического
сопла
без
осевого
стержня.
70