На правах рукописи

Москвичев Дмитрий Юрьевич ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ РЕЗОНАТОРОВ НА ТЕРМОАКУСТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В УСТАНОВКАХ С ТЕПЛОПОДВОДОМ 01.02.05 - механика жидкости, газа и плазмы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Новосибирск - 2007

Работа выполнена в Институте теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения Российской академии наук

Научный консультант:

кандидат физико-математических наук, доцент Потапкин Анатолий Васильевич

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Бардаханов Сергей Прокопьевич доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник Сухинин Сергей Викторович

Ведущая организация:

МГУ им. М.В. Ломоносова (г. Москва)

Защита состоится " 27 " / апреля /2007 г. в " 9 " часов на заседании диссертационного совета Д003.035.02 по присуждению ученой степени доктора наук в Институте теоретической и прикладной механики СО РАН по адресу:

630090, Новосибирск, ул. Институтская 4/1

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института теоретической и прикладной механики СО РАН.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный гербовой печатью учреждения, просим направлять по адресу: 630090, Новосибирск 90, ул. Институтская 4/1, ИТПМ СО РАН, ученому секретарю диссертационного совета Д003.035.02.

Автореферат разослан " " / /2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук Засыпкин И.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы:

Процессы термоакустической неустойчивости газожидкостных потоков в трубах оказывают значительное влияние на динамику течений в сложных системах. Особо важны эти явления для двигателестроения, тепловой и атомной энергетики, криогенного оборудования. Термоакустические колебания могут приводить к нарушению технологических процессов и разрушению конструкций, поэтому резонаторы обычно применяются для подавления колебаний. Отсутствие общей теории, которая позволяла бы анализировать комплексы резонаторов в широком диапазоне частот при больших и малых амплитудах, и при наличии теплоподвода, делает актуальным исследование влияния резонаторов на термоакустические процессы в установках с локальным теплоподводом.

Исследования вибрационного горения водорода в прямоточной камере сгорания эжекторного типа показали возможность получения силы тяги и больших удельных импульсов камеры при нулевых скоростях набегающего потока. Поэтому, учитывая возможную перспективу создания устройств на основе прямоточной камеры сгорания, которые смогут создавать тягу при малой скорости набегающего потока, актуальным является исследование влияния резонаторов на характеристики прямоточной камеры сгорания эжекторного типа, работающей в режиме вибрационного горения водорода.

Цель работы:

Целью диссертационной работы является экспериментальное исследование характеристик одиночного резонатора для управления термоакустическими колебаниями, возникающими в установках с теплоподводом. В качестве установок для проведения экспериментов использовали трубу Рийке - установку с локальным теплоподводом и прямоточную камеру сгорания эжекторного типа с вибрационным режимом горения водорода.

Работа включает в себя следующие основные направления исследований:

- Изучение влияния резонаторов разной формы на температурные и акустические характеристики установки с локальным теплоподводом, в которой возникают низкочастотные термоакустические колебания.

- Изучение влияния резонаторов разной формы на тяговые и акустические характеристики прямоточной камеры сгорания эжекторного типа, работающей в различных режимах вибрационного горения водорода.

Научная новизна работы:

- Проведены измерения амплитуды звуковых колебаний и температуры в трубе Рийке при наличии низкочастотных термоакустических колебаний. При возникновении колебаний зона с наибольшей температурой смещается от оси трубы к стенке, создавая кольцевую область нагретого воздуха в пристеночной области. Такое изменение температуры при наличии термоакустических колебаний не упоминается в работах, посвященных эффекту Рийке.

- Получены экспериментальные данные о влиянии резонаторов разной формы на акустические и температурные характеристики установки с локальным теплоподводом при наличии низкочастотных термоакустических колебаний. Экспериментальные данные сопоставлены с результатами работ, посвященных теоретическому исследованию резонатора Гельмгольца. Показано, что существует пороговая величина теплоподвода, выше которой теоретические оценки параметров акустических резонаторов могут давать неудовлетворительные результаты.

- Получены экспериментальные данные о влиянии резонаторов разной формы на тяговые и акустические характеристики камеры сгорания, работающей в режиме вибрационного горения водорода. Сила тяги камеры зависит от интенсивности акустических колебаний. Показано, что при помощи акустического резонатора, размещенного на камере сгорания, можно влиять на интенсивность звуковых колебаний и получать необходимые режимы развития силы тяги.

- Обнаружен и описан эффект гистерезиса по расходу водорода в акустических и тяговых характеристиках камеры сгорания с резонатором, который позволяет существенно улучшить тяговые характеристики камеры сгорания.

Практическая ценность работы:

Данные по акустическим резонаторам, полученные на установке с локальным теплоподводом, могут быть использованы при проектировании теплоэнергетических установок, а также для разработки устройств на основе одиночных резонаторов для подавления термоакустических колебаний в уже существующих установках. Преимущество таких резонаторных систем состоит в том, что данные устройства легко подключить к работающей установке. Объем резонатора может составлять 0.33 % от всего объема установки, что особенно актуально для современных теплоэнергоустановок, которые имеют объемы в тысячи кубометров.

Данные, полученные в экспериментах с прямоточной камерой сгорания эжекторного типа с резонатором, показали, что при помощи резонатора можно управлять тяговыми и акустическими характеристиками камеры сгорания. При помощи оптимально подобранных размеров резонатора и с учетом эффекта гистерезиса можно получить величину удельной тяги камеры сгорания при нулевой скорости набегающего потока сравнимую с удельной тягой твердо - и жидкотопливных ракетных двигателей. Была получена величина удельной тяги камеры сгорания с резонатором около 4500 м/с. Данные результаты могут быть использованы для создания устройств на основе прямоточных камер сгорания, которые создают тягу при малой скорости набегающего потока.

На защиту выносятся:

- Результаты экспериментального исследования температурного поля в трубе Рийке.

- Результаты экспериментального исследования влияния резонаторов на амплитуду звуковых колебаний и поле температуры в цилиндрической трубе при локальном теплоподводе.

- Результаты экспериментального исследования влияния резонаторов на тяговые и акустические характеристики прямоточной эжекторной камеры сгорания, работающей в режимах вибрационного горения водорода.

- Результаты исследования эффекта гистерезиса в тяговых и акустических характеристиках камеры сгорания с резонатором.

Достоверность результатов подтверждается путем оценок возможных погрешностей измерений, полученных при проведении многочисленных тестов.

Апробация работы Результаты работы докладывались и обсуждались на семинарах Института теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН, Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН и Института гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН. Результаты представлялись на Международных научных студенческих конференциях УСтудент и научно-технический прогрессФ (1998, 2000 гг., Новосибирск), Всероссийских конференциях молодых ученых УПроблемы механики: теория, эксперимент и новые технологииФ (2001, 2002, 2005 гг., Новосибирск), Всероссийской научно-технической конференции УФундаментальные проблемы аэротермодинамики силовых установок летательных аппаратовФ (2002 г., Жуковский), Международных конференциях по методам аэрофизических исследований (ICMARТ98, ICMARТ2000, ICMARТ2002, Новосибирск).

Публикации: Результаты, представленные в диссертации, опубликованы в работах, список которых приведен в конце автореферата.

ичный вклад автора: При выполнении работ по теме диссертации автор принимал непосредственное участие в постановке задач, разработке методик исследований, подготовке экспериментов, проведении измерений, обработке и анализе экспериментальных данных, подготовке статей и докладов на конференциях. Представление изложенных в диссертации и выносимых на защиту результатов, полученных в совместных исследованиях, согласовано с соавторами.

Структура и объем диссертации: Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитируемой литературы из 85 наименований и приложения. Объем диссертации составляет 118 страниц, включая 33 рисунка, две таблицы и приложение.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Во введении обосновывается актуальность исследований, излагаются цели и задачи работы, описывается структура диссертации.

Первая глава содержит обзор основных работ, посвященных теоретическим и экспериментальным исследованиям по акустическим резонаторам, эффекту Рийке и термоакустическим колебаниям в камерах сгорания.

В обзоре проведен анализ результатов работ, посвященных одиночным резонаторам и резонаторным системам для поглощения звука. При расчетах резонаторов обычно используются механико-акустические модели без учета параметров теплоподвода. Результаты исследований одиночного резонатора Гельмгольца показали, что течение около горла резонатора имеет сложный характер и зависит от частоты и амплитуды колебаний в основной камере, а также от геометрии горла резонатора. Из-за сложности картины течения около горла резонатора до сих пор не разработана общая теория, которая позволяла бы рассчитывать параметры резонаторов в широком диапазоне частот и амплитуд колебаний. Затруднения, связанные с отсутствием общей нелинейной теории резонаторов, частично преодолевают, используя эмпирические выражения для определения эффективной длины горла резонатора. В некоторых случаях эффективную длину горла резонатора рассчитывают по линейной теории. При этом вводятся поправки на наблюдаемые концевые эффекты.

В следующей части обзора проведен анализ экспериментальных и теоретических работ, посвященных эффекту Рийке. Труба Рийке позволяет получать акустические волны большой амплитуды с заданной частотой. Это свойство трубы Рийке было использовано для изучения влияния резонатора на работу установки с локальным теплоподводом.

Далее рассматриваются работы, посвященные исследованию термоакустических колебаний, возникающих в прямоточной камере сгорания эжекторного типа при вибрационном горении водорода. Измерения продольных сил, действующих на камеру сгорания, показали развитие силы тяги, когда скорость набегающего потока равна нулю. Сила тяги не являлась реактивной силой. В этих экспериментах система подвода топлива была механически развязана с камерой сгорания. Местом приложения силы тяги являлся вход в камеру сгорания. Величина силы тяги определялась многими параметрами, в частности, геометрией входа в камеру. Наибольшее значение силы тяги обеспечил конфузорный насадок, имеющий форму тора. В работах было отмечено, что существует корреляция между развитием акустических колебаний и появлением силы тяги. В связи с чем, было высказано предположение, что при помощи резонаторов, размещенных на камере сгорания, можно влиять на амплитуду термоакустических колебаний и на величину силы тяги.

Во второй главе дано описание экспериментальных установок и методик проведения экспериментов.

В п.2.1 приведены данные по измерительной аппаратуре. Описаны методики проведения экспериментов по изучению влияния резонатора на термоакустические колебания, возникающие в вертикально установленной трубе с открытыми концами и воздухопроницаемым нагревателем, расположенным внутри трубы.

Схема установки показана на рис. 1а. Установка состоит из вертикально расположенной асбоцементной трубы, открытой с обоих концов (труба Рийке). Длина in out трубы Lт = 1 м, внутренний и внешний диаметры трубы Dт ~ 0.1 и Dт ~ 0.12 м.

Внутри трубы на расстоянии 0.25Lт = 0.25 м от нижнего конца трубы размещался нагреватель. Нагревательный элемент выполнен в виде мелкоячеистой сетки, на которую сверху и снизу укладывались керамические трубочки. Сквозь трубочки пропускалась нихромовая проволока, на концы которой подавалось постоянное напряжение от выпрямителя ВСА-5. В стенке трубы Рийке сделаны отверстия для присоединения к трубе резонатора. В экспериментах резонатор размещался на расстоянии 0.5Lт = 0.5 м от нижнего конца трубы. Схема резонатора показана на рис. 1б. Резонатор выполнен в виде цилиндрической металлической трубки, Рис. 1. Схема установки и резонатор.

к которой присоединялись трубочки (горло резонатора) различной длины Lг с внутренним диаметром dг. Длину полости резонатора Lп можно было менять во время эксперимента при помощи размещенного внутри поршня.

Температуру воздуха в трубе измеряли при помощи гребенки, состоящей из пяти ХК термопар. Все термопары тарировались относительно точки кипения воды, а также относительно меньших температур. Свободные концы термопар находились при температуре 22 С. Расстояние от термопар до нижнего конца трубы равно 0.375 м. Амплитуду и частоту акустических колебаний измеряли при помощи конденсаторного микрофона М-101. Микрофон был размещен на расстоянии 0.5 м над верхним концом трубы. Микрофон измерял уровень звукового давления в диапазоне частот 2018000 Гц. Суммарный коэффициент гармонических искажений уровня давления не превышал 2 %. Микрофон подключался к измерителю шума и вибраций ИШВ-1. Уровень звукового давления определялся с погрешностью 4 % относительно эффективного давления 2.10Ц5 Па. Все измеряемые величины выводились на платы стандарта КАМАК.

Сигналы через платы нормализаторов и коммутатор К8 выводились на плату АЦП10/1 и записывались на персональный компьютер.